基于時延估計的干涉型光纖傳感定位系統(tǒng)研究.pdf

1、光纖傳感技術是20世紀70年代伴隨著光纖通信技術的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的，以光波為載體，光纖為媒介，感知和傳輸外界被測量信號的新型傳感技術。干涉型光纖傳感定位系統(tǒng)由于基于相位調制原理，其高靈敏度的探測特性已為大家所公認，然而為了實現(xiàn)穩(wěn)定的，可靠的，高精度的，長距離的測量，光纖傳感系統(tǒng)仍然存在一些難于解決的關鍵技術難題。因此，開展干涉型光纖傳感定位系統(tǒng)的研究是一個非常有應用前景和實際意義的課題。
　　本論文對干涉型光纖傳感定位技術進行

2、了基本的介紹，重點分析了近年來干涉型光纖傳感器的結構，相位調制解調技術及定位的基本原理，針對各自的特點和存在的不足進行相應的分析。在原有技術的基礎上，對干涉型光纖傳感定位技術進行全面的研究，提出了基于時延估計的干涉型光纖傳感定位系統(tǒng)。本文提出的系統(tǒng)中使用寬帶光源，克服了傳統(tǒng)的光纖傳感系統(tǒng)結構中由于激光器光源產(chǎn)生大量噪聲的缺陷;通過波分復用器構造兩個獨立的干涉光路，并利用改進的基于3×3耦合器的相位還原方法對兩個獨立的干涉光路中的相位信號

3、進行還原;經(jīng)還原的相位信號是由兩個具有時延的子信號疊加構成的一對復合信號。通過對復合信號中子信號的提取，獲得兩個具有固定延遲的信號，采用時延估計的方法解算出時延，從而確定擾動發(fā)生的位置。
　　本文對所提出的傳感定位系統(tǒng)的基本結構，信號處理算法及系統(tǒng)的偏振特性和噪聲特性進行分析研究。經(jīng)過系統(tǒng)測試驗證，所設計的干涉型光纖傳感定位系統(tǒng)實現(xiàn)了穩(wěn)定的，可靠的，高精度的，長距離的測量，為干涉型光纖傳感定位系統(tǒng)的進一步發(fā)展起到了一定的促進作用。

4、具體研究內容及成果如下:
　　1.根據(jù)光纖傳感定位技術的現(xiàn)狀，介紹了幾種具有代表性的干涉型光纖傳感系統(tǒng)，簡單的分析了傳感定位系統(tǒng)的相位解調及定位原理的特點和存在的不足，通過對干涉型光纖傳感定位系統(tǒng)的分析，為實現(xiàn)高精度，長距離的擾動定位奠定基礎。
　　2.針對現(xiàn)有光纖傳感定位系統(tǒng)存在的問題，提出了一種新型的基于波分復用技術的單芯反饋式的干涉型光纖傳感定位系統(tǒng)。在干涉結構中通過波分復用技術，在同一根感應光纖中注入兩個不同波長的光

5、，光傳輸?shù)焦饫w末端，通過波分復用器將兩種波長成分分開，分別沿各自獨立的光纖路徑到達各自的反射終端，兩個光波分別形成不同的干涉。通過基于3×3耦合器的相位調制解調算法，獲得由兩個具有時延子信號疊加構成的一對復合信號。通過對復合信號中子信號的提取，獲得兩個具有固定延遲的信號，采用時延估計方法解算出延遲，從而確定擾動發(fā)生的位置。
　　3.本文運用瓊斯矩陣法對由傳輸光偏振態(tài)在雙折射影響下帶來的干涉信號“偏振誘導衰落”問題進行分析，闡明了僅

6、使用法拉第旋轉鏡并不能完全抑制和消除干涉儀中的偏振誘導信號衰落，并提出了穩(wěn)定相干的保偏光路結構。該結構采用單模感應光纖與法拉第旋轉鏡組合，消除感應光纖偏振特性變化對干涉的影響。同時，通過在干涉模塊中使用保偏光纖并以π/2的方式焊接，使光路結構的其它部分均工作在偏振穩(wěn)定的狀態(tài)，從而獲得穩(wěn)定相干的保偏光路結構，為傳感定位系統(tǒng)的實際應用提供了穩(wěn)定的光路狀態(tài)。
　　4.本文從干涉系統(tǒng)信號產(chǎn)生的過程，對系統(tǒng)噪聲進行分析，詳細地分析了影響干涉

7、系統(tǒng)靈敏度和監(jiān)測范圍的因素，通過基于相位生成載波的自適應噪聲抵消技術抑制噪聲對檢測信號的影響，增大檢測信號的信噪比，從而可以有效的提高系統(tǒng)的靈敏度和監(jiān)測范圍。
　　5.針對基于時延估計的干涉型光纖傳感定位系統(tǒng)的應用背景，設計了相關的實驗方案，并對實驗結果進行分析。實驗結果表明，本文提出的基于時延估計的干涉型光纖傳感定位系統(tǒng)能夠滿足現(xiàn)有的應用要求，具有廣闊的應用前景和實踐意義。
　　主要創(chuàng)新點:
　　1.本文提出了一種新

8、型的干涉型光纖傳感器。在傳感器中通過波分復用技術，在同一根感應光纖中注入兩個不同波長的光，光傳輸?shù)焦饫w末端，通過波分復用器將兩種波長成分分開，分別沿各自的獨立光纖路徑到達各自的反射終端，兩個光波分別形成不同的干涉。波分復用技術的使用，使得不同波長的兩個干涉子系統(tǒng)檢測到同一擾動經(jīng)過不同路徑的傳播的信號。由此，傳感器檢測獲得同一外界擾動信號引起的相位差。
　　2.本文提出了一種改進的基于3×3耦合器的相位調制解調算法。通過在干涉系統(tǒng)中

9、引入相位調制器，在被測信號帶寬以外的某一頻率引入大幅度的相位調制信號，調整其幅度達到傳感器的滿幅，從而滿足了基于3×3耦合器的相位解調算法中必須使用滿幅信號進行直流補償和歸一化的要求，擴大了基于3×3耦合器的相位解調算法的適用范圍。同時，提出一種精確計算3×3耦合器初始相位的算法，避免了3×3耦合器不對稱造成初始相位不確定的問題，實現(xiàn)對相位信號的準確解調。
　　3.本文提出了一種針對由兩個具有固定時延差的子信號疊加構成的一對復合信

10、號的處理方法。通過對復合信號中子信號的提取，獲得兩個具有固定時延的信號，通過時延估計的方法，實現(xiàn)對時延信息的提取算法。具體步驟為:將經(jīng)幅度調理后的兩個復合信號直接相減，獲得第一合成信號;隨后將其中一個復合信號延時或超前t0，并與另一信號相減，獲得第二合成信號;第一合成信號與第二合成信號具有強相關性，采用延遲算法，將延遲信息解算出來。
　　4.本文提出了一種穩(wěn)定相干的保偏光路結構。該結構采用單模感應光纖與法拉第旋轉鏡組合，消除感應光