基于時(shí)延估計(jì)的干涉型光纖傳感定位系統(tǒng)研究.pdf

1、光纖傳感技術(shù)是20世紀(jì)70年代伴隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的，以光波為載體，光纖為媒介，感知和傳輸外界被測(cè)量信號(hào)的新型傳感技術(shù)。干涉型光纖傳感定位系統(tǒng)由于基于相位調(diào)制原理，其高靈敏度的探測(cè)特性已為大家所公認(rèn)，然而為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的，可靠的，高精度的，長(zhǎng)距離的測(cè)量，光纖傳感系統(tǒng)仍然存在一些難于解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。因此，開(kāi)展干涉型光纖傳感定位系統(tǒng)的研究是一個(gè)非常有應(yīng)用前景和實(shí)際意義的課題。
　　本論文對(duì)干涉型光纖傳感定位技術(shù)進(jìn)行

2、了基本的介紹，重點(diǎn)分析了近年來(lái)干涉型光纖傳感器的結(jié)構(gòu)，相位調(diào)制解調(diào)技術(shù)及定位的基本原理，針對(duì)各自的特點(diǎn)和存在的不足進(jìn)行相應(yīng)的分析。在原有技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)干涉型光纖傳感定位技術(shù)進(jìn)行全面的研究，提出了基于時(shí)延估計(jì)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(jié)構(gòu)中由于激光器光源產(chǎn)生大量噪聲的缺陷;通過(guò)波分復(fù)用器構(gòu)造兩個(gè)獨(dú)立的干涉光路，并利用改進(jìn)的基于3×3耦合器的相位還原方法對(duì)兩個(gè)獨(dú)立的干涉光路中的相位信號(hào)

3、進(jìn)行還原;經(jīng)還原的相位信號(hào)是由兩個(gè)具有時(shí)延的子信號(hào)疊加構(gòu)成的一對(duì)復(fù)合信號(hào)。通過(guò)對(duì)復(fù)合信號(hào)中子信號(hào)的提取，獲得兩個(gè)具有固定延遲的信號(hào)，采用時(shí)延估計(jì)的方法解算出時(shí)延，從而確定擾動(dòng)發(fā)生的位置。
　　本文對(duì)所提出的傳感定位系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，信號(hào)處理算法及系統(tǒng)的偏振特性和噪聲特性進(jìn)行分析研究。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的干涉型光纖傳感定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的，可靠的，高精度的，長(zhǎng)距離的測(cè)量，為干涉型光纖傳感定位系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展起到了一定的促進(jìn)作用。

4、具體研究?jī)?nèi)容及成果如下:
　　1.根據(jù)光纖傳感定位技術(shù)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(jiǎn)單的分析了傳感定位系統(tǒng)的相位解調(diào)及定位原理的特點(diǎn)和存在的不足，通過(guò)對(duì)干涉型光纖傳感定位系統(tǒng)的分析，為實(shí)現(xiàn)高精度，長(zhǎng)距離的擾動(dòng)定位奠定基礎(chǔ)。
　　2.針對(duì)現(xiàn)有光纖傳感定位系統(tǒng)存在的問(wèn)題，提出了一種新型的基于波分復(fù)用技術(shù)的單芯反饋式的干涉型光纖傳感定位系統(tǒng)。在干涉結(jié)構(gòu)中通過(guò)波分復(fù)用技術(shù)，在同一根感應(yīng)光纖中注入兩個(gè)不同波長(zhǎng)的光

5、，光傳輸?shù)焦饫w末端，通過(guò)波分復(fù)用器將兩種波長(zhǎng)成分分開(kāi)，分別沿各自獨(dú)立的光纖路徑到達(dá)各自的反射終端，兩個(gè)光波分別形成不同的干涉。通過(guò)基于3×3耦合器的相位調(diào)制解調(diào)算法，獲得由兩個(gè)具有時(shí)延子信號(hào)疊加構(gòu)成的一對(duì)復(fù)合信號(hào)。通過(guò)對(duì)復(fù)合信號(hào)中子信號(hào)的提取，獲得兩個(gè)具有固定延遲的信號(hào)，采用時(shí)延估計(jì)方法解算出延遲，從而確定擾動(dòng)發(fā)生的位置。
　　3.本文運(yùn)用瓊斯矩陣法對(duì)由傳輸光偏振態(tài)在雙折射影響下帶來(lái)的干涉信號(hào)“偏振誘導(dǎo)衰落”問(wèn)題進(jìn)行分析，闡明了僅

6、使用法拉第旋轉(zhuǎn)鏡并不能完全抑制和消除干涉儀中的偏振誘導(dǎo)信號(hào)衰落，并提出了穩(wěn)定相干的保偏光路結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)采用單模感應(yīng)光纖與法拉第旋轉(zhuǎn)鏡組合，消除感應(yīng)光纖偏振特性變化對(duì)干涉的影響。同時(shí)，通過(guò)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，為傳感定位系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用提供了穩(wěn)定的光路狀態(tài)。
　　4.本文從干涉系統(tǒng)信號(hào)產(chǎn)生的過(guò)程，對(duì)系統(tǒng)噪聲進(jìn)行分析，詳細(xì)地分析了影響干涉

7、系統(tǒng)靈敏度和監(jiān)測(cè)范圍的因素，通過(guò)基于相位生成載波的自適應(yīng)噪聲抵消技術(shù)抑制噪聲對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響，增大檢測(cè)信號(hào)的信噪比，從而可以有效的提高系統(tǒng)的靈敏度和監(jiān)測(cè)范圍。
　　5.針對(duì)基于時(shí)延估計(jì)的干涉型光纖傳感定位系統(tǒng)的應(yīng)用背景，設(shè)計(jì)了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)方案，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的基于時(shí)延估計(jì)的干涉型光纖傳感定位系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足現(xiàn)有的應(yīng)用要求，具有廣闊的應(yīng)用前景和實(shí)踐意義。
　　主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn):
　　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(guò)波分復(fù)用技術(shù)，在同一根感應(yīng)光纖中注入兩個(gè)不同波長(zhǎng)的光，光傳輸?shù)焦饫w末端，通過(guò)波分復(fù)用器將兩種波長(zhǎng)成分分開(kāi)，分別沿各自的獨(dú)立光纖路徑到達(dá)各自的反射終端，兩個(gè)光波分別形成不同的干涉。波分復(fù)用技術(shù)的使用，使得不同波長(zhǎng)的兩個(gè)干涉子系統(tǒng)檢測(cè)到同一擾動(dòng)經(jīng)過(guò)不同路徑的傳播的信號(hào)。由此，傳感器檢測(cè)獲得同一外界擾動(dòng)信號(hào)引起的相位差。
　　2.本文提出了一種改進(jìn)的基于3×3耦合器的相位調(diào)制解調(diào)算法。通過(guò)在干涉系統(tǒng)中

9、引入相位調(diào)制器，在被測(cè)信號(hào)帶寬以外的某一頻率引入大幅度的相位調(diào)制信號(hào)，調(diào)整其幅度達(dá)到傳感器的滿(mǎn)幅，從而滿(mǎn)足了基于3×3耦合器的相位解調(diào)算法中必須使用滿(mǎn)幅信號(hào)進(jìn)行直流補(bǔ)償和歸一化的要求，擴(kuò)大了基于3×3耦合器的相位解調(diào)算法的適用范圍。同時(shí)，提出一種精確計(jì)算3×3耦合器初始相位的算法，避免了3×3耦合器不對(duì)稱(chēng)造成初始相位不確定的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)相位信號(hào)的準(zhǔn)確解調(diào)。
　　3.本文提出了一種針對(duì)由兩個(gè)具有固定時(shí)延差的子信號(hào)疊加構(gòu)成的一對(duì)復(fù)合信

10、號(hào)的處理方法。通過(guò)對(duì)復(fù)合信號(hào)中子信號(hào)的提取，獲得兩個(gè)具有固定時(shí)延的信號(hào)，通過(guò)時(shí)延估計(jì)的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)延信息的提取算法。具體步驟為:將經(jīng)幅度調(diào)理后的兩個(gè)復(fù)合信號(hào)直接相減，獲得第一合成信號(hào);隨后將其中一個(gè)復(fù)合信號(hào)延時(shí)或超前t0，并與另一信號(hào)相減，獲得第二合成信號(hào);第一合成信號(hào)與第二合成信號(hào)具有強(qiáng)相關(guān)性，采用延遲算法，將延遲信息解算出來(lái)。
　　4.本文提出了一種穩(wěn)定相干的保偏光路結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)采用單模感應(yīng)光纖與法拉第旋轉(zhuǎn)鏡組合，消除感應(yīng)光