相位敏感型光時域反射儀及其應(yīng)用研究.pdf

1、分布式光纖傳感在傳感技術(shù)中獨(dú)樹一幟，集傳輸、傳感一體化，可實(shí)現(xiàn)長達(dá)上百公里的高密度的溫度、應(yīng)變、振動、聲波全分布式測量，具有不可替代的優(yōu)勢，因此得到廣泛應(yīng)用。相位敏感型光時域分析儀(Φ-OTDR)作為分布式光纖傳感技術(shù)的新興代表，近年來在石油、交通、結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域的振動測量中獲得成功應(yīng)用，特別是在解決了對瑞利散射的相位解調(diào)這一重要問題后，由Φ-OTDR基礎(chǔ)衍生和發(fā)展起來的分布式聲波傳感技術(shù)(DAS)，更是具有長距離分布式聲波測量的能力，因而

2、成為最具發(fā)展前景的光纖傳感技術(shù)。但是，要實(shí)現(xiàn)長距離、高空間分辨率、高靈敏度的Φ-OTDR，尚面臨光纖傳輸損耗所致的傳感性能隨傳感距離的下降以及空間分布不均衡、非線性效應(yīng)對入纖功率的限制、微弱瑞利散射信號探測以及動態(tài)信號處理等問題的挑戰(zhàn)；另一方面，如何充分發(fā)揮Φ-OTDR的優(yōu)勢，克服其在實(shí)際應(yīng)用中面臨的技術(shù)難題，以滿足關(guān)乎國計(jì)民生的振動/聲波測量需求，也是本論文的主要研究內(nèi)容。
　　本論文在國家自然科學(xué)基金委重大項(xiàng)目課題“長距離分布

3、式光纖傳感網(wǎng)關(guān)鍵器件與技術(shù)研究”支持下，實(shí)現(xiàn)了新一代的長傳感距離（>100km）、高空間分辨率(<10m)、高靈敏度（SNR>20dB）Φ-OTDR系統(tǒng)；開拓了Φ-OTDR在國內(nèi)交通、石油等重要領(lǐng)域的應(yīng)用；將DAS技術(shù)從傳感領(lǐng)域拓展到通信領(lǐng)域，提出了“光載聲波通信”的新概念。本論文為促進(jìn)Φ-OTDR關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用范圍的拓寬做出了重要貢獻(xiàn)。
　　主要研究工作總結(jié)如下：
　　(1)實(shí)現(xiàn)了具有長傳感距離、高空間分辨率、高靈

4、敏度特征的新一代Φ-OTDR，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了Φ-OTDR系統(tǒng)在長距離管道安全監(jiān)測應(yīng)用中的可行性。提出了基于雙向拉曼放大、外差檢測和小波分析的組合方法，實(shí)現(xiàn)了傳感長度為131.5km、空間分辨率為8m，信噪比超過20dB的Φ-OTDR，是目前米級空間分辨率世界最長的高靈敏度Φ-OTDR。通過功率優(yōu)化，避免了受激布里淵(SBS)對探測光和拉曼泵浦光的消耗，得到了具有較高信噪比且空間分布較均衡的瑞利散射光信號；通過外差檢測，提高了微弱瑞利散射光探

5、測信噪比，也抑制了拉曼泵浦的相對強(qiáng)度噪聲轉(zhuǎn)移的影響；通過小波分析，獲得了高信噪比的管道入侵振動信號。相關(guān)成果在國際光纖通信大會(OFC)上做了口頭報(bào)告。
　　(2)提出了將特種光纖應(yīng)用于Φ-OTDR的思路，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了色散補(bǔ)償光纖(DCF)對Φ-OTDR性能的提升作用。提出了應(yīng)用特種光纖增強(qiáng)微弱瑞利散射信號以提升Φ-OTDR性能的新方法，由于DCF的瑞利散射系數(shù)和拉曼增益系數(shù)均遠(yuǎn)大于普通單模光纖，因此利用DCF并結(jié)合前向拉曼放大，在

6、低探測光功率和低拉曼泵浦功率下，實(shí)現(xiàn)了Φ-OTDR在10.6km上實(shí)現(xiàn)了空間分辨率為4m的高性能Φ-OTDR。
　　(3)提出了Φ-OTDR和B-OTDR的融合思路，實(shí)現(xiàn)了動態(tài)振動和靜態(tài)應(yīng)變的同時測量的Φ/B-OTDR融合系統(tǒng)。利用光纖中瑞利散射和自發(fā)布里淵散射在光頻域上天然復(fù)用的特點(diǎn)，我們在融合系統(tǒng)中借鑒光纖通信中FSK外差異步檢測的方法，對兩種散射信號解調(diào)的同步機(jī)制進(jìn)行設(shè)計(jì)。并且利用前向拉曼放大彌補(bǔ)了自發(fā)布里淵散射的DFS相對

7、基于受激布里淵散射原理的DFS信噪比的不足，同時也保持了單端測量的優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)的Φ/B-OTDR融合系統(tǒng)的傳感距離為49km，空間分辨率為10m，相關(guān)振動和應(yīng)變實(shí)驗(yàn)表明該融合系統(tǒng)在長距離結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中具有較大的應(yīng)用潛力。
　　(4)提出了基于Φ-OTDR的高速列車定位與測速方法。利用Φ-OTDR能夠?qū)崒?shí)時高速動態(tài)振動測量的特性，對高速列車的定位方法開展研究，并通過小波去噪提升了定位精度；在得到實(shí)時的列車運(yùn)動曲線后，進(jìn)一步通過求導(dǎo)獲得

8、了列車實(shí)時速度。該系統(tǒng)具有無源（不怕雷擊）、抗電磁干擾、全天候、定位測速精度高等特點(diǎn)，可彌補(bǔ)目前基于繼電器的列車定位與測速系統(tǒng)的天然缺陷，具有較大的應(yīng)用價值。相關(guān)成果在國際光纖傳感大會（OFS）上做了口頭報(bào)告。
　　(5)提出了分布式聲波光通信的新概念—光載聲波通信（Sound Communication over Fiber: SoF）。提出并驗(yàn)證了基于DAS的SoF新概念：首先通過模擬聲波通信驗(yàn)證了DAS對于幅度、頻率調(diào)制的聲

9、波信號的解調(diào)能力，并在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了空間分集接收對于聲波信號的增強(qiáng)作用；在此基礎(chǔ)上，提出了利用DAS實(shí)現(xiàn)數(shù)字聲波通信的方法，以聲波作為載波，在550m色散補(bǔ)償光纖上實(shí)現(xiàn)了2.6k Baud的空氣SoF單工數(shù)字通信，以及在5.4km單模通信光纖上實(shí)現(xiàn)1k Baud的水下數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的傳輸。SoF可以實(shí)現(xiàn)長距離、分布式通信，在無線通信和光纖通信無法正常工作或不易部署的條件下，可以發(fā)揮其重要作用，具有很好的應(yīng)用前景。相關(guān)成果在國際光纖通信大會(