多參數(shù)分布式光纖傳感系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、分布式光纖傳感技術(shù)是利用光纖自身既作為信號(hào)傳輸介質(zhì)又作為傳感單元，從而獲取整個(gè)光纖路徑沿線的外部物理量的分布情況。分布式光纖傳感系統(tǒng)測(cè)量精度高，傳感距離長(zhǎng)，并且具有較好的可靠性，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)距離基礎(chǔ)設(shè)施的健康監(jiān)測(cè)。然而故障的發(fā)生通常表現(xiàn)為應(yīng)變或振動(dòng)事件，抑或是環(huán)境溫度的改變等多種參量的變化，僅僅對(duì)單一物理量的監(jiān)測(cè)并不能確保對(duì)事故進(jìn)行有效的預(yù)警和定位，因而多參數(shù)的分布式測(cè)量也顯得越來(lái)越重要，并逐漸成為分布式測(cè)量的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)

2、外對(duì)于多參數(shù)的分布式測(cè)量主要集中在應(yīng)力及溫度的同時(shí)測(cè)量，該原理是利用拉曼散射的溫度效應(yīng)及布里淵頻移隨應(yīng)變及溫度的變化量來(lái)實(shí)現(xiàn)。而對(duì)于分布式振動(dòng)及溫度的同時(shí)測(cè)量還鮮有報(bào)道，本文結(jié)合瑞利散射及自發(fā)拉曼散射的OTDR系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)及溫度的分布式測(cè)量，并采用脈沖調(diào)制的方式獲得了高信噪比的拉曼散射信號(hào)，又避免非線性產(chǎn)生給測(cè)量帶來(lái)的影響。論文的主要工作如下：
　?、俑攀隽嘶谌鹄⑸涞恼駝?dòng)傳感技術(shù)及基于拉曼散射的溫度傳感技術(shù)的相關(guān)理論，為實(shí)現(xiàn)

3、兩種技術(shù)的結(jié)合奠定了理論知識(shí)。首先通過(guò)建立后向瑞利散射的離散模型描述了φ-OTDR系統(tǒng)的基本原理，而后從量子力學(xué)的角度闡釋了ROTDR系統(tǒng)的測(cè)溫原理，并對(duì)常用的溫度解調(diào)方法進(jìn)行了介紹。討論了系統(tǒng)的各參數(shù)指標(biāo)對(duì)整體設(shè)計(jì)的要求，并在此基礎(chǔ)上分析了分布式振動(dòng)及溫度傳感系統(tǒng)的可行性。
　?、趯?duì)多參數(shù)分布式光纖傳感系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及主要器件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)對(duì)不同脈沖參數(shù)下得到的振動(dòng)及溫度測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析，認(rèn)為高功率的脈沖光可以獲得高信噪比

4、的自發(fā)拉曼散射信號(hào)，但同時(shí)會(huì)產(chǎn)生非線性效應(yīng)導(dǎo)致振動(dòng)測(cè)量難以實(shí)現(xiàn)，如若降低探測(cè)脈沖光功率則會(huì)較大地影響系統(tǒng)的測(cè)溫精度。因此，認(rèn)為采用合適的調(diào)制脈沖方式對(duì)于實(shí)現(xiàn)振動(dòng)及溫度的同時(shí)測(cè)量和提高系統(tǒng)性能是及其關(guān)鍵的。
　?、蹫榱藢?shí)現(xiàn)分布式光纖振動(dòng)及溫度的同時(shí)測(cè)量，利用聲光調(diào)制器連續(xù)產(chǎn)生的高、低功率的探測(cè)光脈沖，并通過(guò)高功率的脈沖光產(chǎn)生的拉曼散射進(jìn)行溫度解調(diào)，通過(guò)低功率的脈沖光產(chǎn)生的瑞利散射進(jìn)行振動(dòng)解調(diào)。在1.2km的傳感光纖上實(shí)現(xiàn)了空間分辨率

5、為5.8m，振動(dòng)頻率為1kHz及10kHz的振動(dòng)測(cè)量，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了空間分辨率為4.8m，測(cè)溫精度約±3℃的溫度測(cè)量。
　　④對(duì)于實(shí)驗(yàn)中所采用的脈沖調(diào)制方式，將會(huì)影響振動(dòng)測(cè)量的頻率響應(yīng)范圍。由于振動(dòng)是快速變化的動(dòng)態(tài)信號(hào)，而溫度則是一個(gè)緩變的信號(hào)，因而文章提出一種改進(jìn)的脈沖調(diào)制方法，以減小溫度探測(cè)脈沖的重復(fù)頻率為代價(jià)來(lái)增大振動(dòng)探測(cè)脈沖的重復(fù)頻率，這樣既能使振動(dòng)測(cè)量的頻響范圍不受影響，同時(shí)也能滿足溫度測(cè)量的要求。
　　通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究