雙光束Ф-OTDR分布式光纖傳感技術(shù)與應(yīng)用.pdf

1、伴隨著光纖通訊技術(shù)的快速發(fā)展,光纖傳感技術(shù)近年來得到了深入研究并已廣泛應(yīng)用于石油和天然氣、航空航天、民用基礎(chǔ)建設(shè)、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域,其中,基于分布式光纖的傳感技術(shù)憑借其得天獨(dú)厚的技術(shù)優(yōu)勢,可以有效替代需大規(guī)模布放才可實(shí)現(xiàn)區(qū)域監(jiān)測的點(diǎn)傳感器,靈敏捕獲光纖沿線由結(jié)構(gòu)毀損或者外界入侵所產(chǎn)生的擾動(dòng)信號,并精確定位擾動(dòng)發(fā)生的位置,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、管道安全預(yù)警以及周界安防等功能。其對于防患于未然,保障國民生產(chǎn)安全有著極其重要的意義,因此研究分布式光

2、纖預(yù)警技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景。
　　針對傳統(tǒng)的相干光時(shí)域反射技術(shù)(Ф-OTDR)探測靈敏度受光源線寬影響較大的不足,本文將干涉測量技術(shù)與OTDR技術(shù)相結(jié)合,提出了雙光束Ф-OTDR分布式光纖傳感技術(shù)并進(jìn)行了深入研究。主要研究內(nèi)容包括:
　　1、提出了一種雙光束Ф-OTDR分布式光纖傳感技術(shù)并搭建了系統(tǒng)。該系統(tǒng)的定位原理與傳統(tǒng)的Ф-OTDR系統(tǒng)類似,通過分析瑞利散射曲線中對應(yīng)位置光強(qiáng)變化來定位外界擾動(dòng)事件;區(qū)別在于該系統(tǒng)采用雙

3、光束背向散射曲線的干涉效應(yīng)而非脈沖寬度內(nèi)散射中心的干涉效應(yīng)來探測外界擾動(dòng)信號,由于發(fā)生干涉的兩路散射光信號之間初始光程差較小,因此該系統(tǒng)對光源相干性的要求比傳統(tǒng)的Ф-OTDR系統(tǒng)低,當(dāng)使用非超窄線寬光源時(shí),探測靈敏度顯著提高。
　　2、現(xiàn)有Ф-OTDR型光纖傳感技術(shù)在定位原理方面主要將采集到的原始散射曲線取平均然后相減來獲得擾動(dòng)事件的位置信息。在該方法的基礎(chǔ)上,我們引入間隔參數(shù)并提出了一種新的差值算法對實(shí)驗(yàn)室采集到的原始信號進(jìn)行處

4、理從而實(shí)現(xiàn)了對外界擾動(dòng)事件的探測及定位。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該算法可以及時(shí)檢測外界擾動(dòng)并進(jìn)行精確定位。當(dāng)脈沖寬度設(shè)為100ns時(shí),系統(tǒng)空間分辨率可以達(dá)到10m,50次重復(fù)試驗(yàn)定位標(biāo)準(zhǔn)差在5m以內(nèi)。
　　3、針對平均-差值算法僅僅從空域角度對信號進(jìn)行處理而且差值曲線信噪比隨著監(jiān)測距離增加或者干擾信號影響而下降的不足,基于時(shí)域信號處理對擾動(dòng)事件進(jìn)行了分析。首先通過縱向切片方法提取擾動(dòng)點(diǎn)對應(yīng)的時(shí)域信號并應(yīng)用快速傅里葉變換(FFT)及短時(shí)傅里葉

5、變換(STFT)分析了時(shí)域信號的頻譜特性及時(shí)頻特性,然后利用小波濾波算法對信號進(jìn)行處理并得到了標(biāo)準(zhǔn)差曲線以及時(shí)空圖。處理結(jié)果顯示該方法均效果明顯,標(biāo)準(zhǔn)差曲線在復(fù)雜現(xiàn)場環(huán)境中仍能準(zhǔn)確定位擾動(dòng)事件并屏蔽過車干擾事件的影響,而且時(shí)空圖實(shí)現(xiàn)了對擾動(dòng)事件發(fā)生位置及時(shí)域性質(zhì)的雙重監(jiān)測。
　　4、由于系統(tǒng)采用雙光束干涉原理,因此需要考慮光纖雙折射引起的偏振態(tài)退化問題。針對系統(tǒng)中出現(xiàn)的信噪比惡化、靈敏度下降問題,首先基于單模傳感光纖的等效瓊斯矩陣

6、建立了該系統(tǒng)的等效光路模型并進(jìn)行仿真分析得到系統(tǒng)靈敏度下降的主要原因;然后根據(jù)仿真分析結(jié)果,提出了系統(tǒng)偏振幅度衰落問題的解決辦法,即通過對系統(tǒng)輸入光進(jìn)行偏振控制,找到合適的偏振態(tài)以使干涉光信號保持較大的振動(dòng)幅度,從而使系統(tǒng)的探測靈敏度保持穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,施加偏振控制以后時(shí)域信號的信噪比得到了明顯提升,從而驗(yàn)證了該方法的有效性。
　　5、在之前理論分析基礎(chǔ)上,提出了基于雙光束Ф-OTDR分布式光纖傳感技術(shù)的管道安全預(yù)警系統(tǒng)并進(jìn)行