多參數(shù)分布式光纖傳感系統(tǒng)關鍵技術研究.pdf

1、分布式光纖傳感技術是利用光纖自身既作為信號傳輸介質又作為傳感單元，從而獲取整個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)測量精度高，傳感距離長，并且具有較好的可靠性，現(xiàn)已廣泛應用于長距離基礎設施的健康監(jiān)測。然而故障的發(fā)生通常表現(xiàn)為應變或振動事件，抑或是環(huán)境溫度的改變等多種參量的變化，僅僅對單一物理量的監(jiān)測并不能確保對事故進行有效的預警和定位，因而多參數(shù)的分布式測量也顯得越來越重要，并逐漸成為分布式測量的一個發(fā)展趨勢。目前國內

2、外對于多參數(shù)的分布式測量主要集中在應力及溫度的同時測量，該原理是利用拉曼散射的溫度效應及布里淵頻移隨應變及溫度的變化量來實現(xiàn)。而對于分布式振動及溫度的同時測量還鮮有報道，本文結合瑞利散射及自發(fā)拉曼散射的OTDR系統(tǒng)實現(xiàn)了振動及溫度的分布式測量，并采用脈沖調制的方式獲得了高信噪比的拉曼散射信號，又避免非線性產(chǎn)生給測量帶來的影響。論文的主要工作如下：
　　①概述了基于瑞利散射的振動傳感技術及基于拉曼散射的溫度傳感技術的相關理論，為實現(xiàn)

3、兩種技術的結合奠定了理論知識。首先通過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，而后從量子力學的角度闡釋了ROTDR系統(tǒng)的測溫原理，并對常用的溫度解調方法進行了介紹。討論了系統(tǒng)的各參數(shù)指標對整體設計的要求，并在此基礎上分析了分布式振動及溫度傳感系統(tǒng)的可行性。
　?、趯Χ鄥?shù)分布式光纖傳感系統(tǒng)的關鍵技術及主要器件進行了實驗研究。通過對不同脈沖參數(shù)下得到的振動及溫度測量結果進行分析，認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，但同時會產(chǎn)生非線性效應導致振動測量難以實現(xiàn)，如若降低探測脈沖光功率則會較大地影響系統(tǒng)的測溫精度。因此，認為采用合適的調制脈沖方式對于實現(xiàn)振動及溫度的同時測量和提高系統(tǒng)性能是及其關鍵的。
　　③為了實現(xiàn)分布式光纖振動及溫度的同時測量，利用聲光調制器連續(xù)產(chǎn)生的高、低功率的探測光脈沖，并通過高功率的脈沖光產(chǎn)生的拉曼散射進行溫度解調，通過低功率的脈沖光產(chǎn)生的瑞利散射進行振動解調。在1.2km的傳感光纖上實現(xiàn)了空間分辨率

5、為5.8m，振動頻率為1kHz及10kHz的振動測量，同時還實現(xiàn)了空間分辨率為4.8m，測溫精度約±3℃的溫度測量。
　?、軐τ趯嶒炛兴捎玫拿}沖調制方式，將會影響振動測量的頻率響應范圍。由于振動是快速變化的動態(tài)信號，而溫度則是一個緩變的信號，因而文章提出一種改進的脈沖調制方法，以減小溫度探測脈沖的重復頻率為代價來增大振動探測脈沖的重復頻率，這樣既能使振動測量的頻響范圍不受影響，同時也能滿足溫度測量的要求。
　　通過實驗研究