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分布式光纤传感技术是20世纪70年代末伴随着光纤传感技术和光纤通信技术的发展而迅速发展起来的。分布式光纤传感技术由于能够获得被测物理场沿空间和时间上的连续分布信息,因而非常适合用于长距离干线的监测。目前,这项技术已成为光纤传感技术中最具前途的技术之一。
本文提出的全光纤分布式振动传感系统是一种新型的分布式光纤传感系统,可实现对施加于传感光纤上的任意振动信号的实时提取,并能准确确定该振动信号在传感光纤上的位置,可用于长距离通信干线的监测。
本文在介绍光纤传感技术发展变化的基础上,对全光纤分布式振动传感系统的结构、工作原理、后端信号处理技术和相关实验等方面做了大量的工作,对全光纤分布式振动传感系统的实际应用也做了有益的尝试。特别是将系统应用于实际通信光缆上进行现场实验,所得的实验结果证明了系统的实用性。
本文的具体工作包括以下几个方面:
在第一章的绪论中对分布式光纤传感技术做了概述,介绍了目前常用的几种分布式传感技术,阐明各种传感技术存在的优缺点,从而引出本文要介绍的全光纤分布式振动传感系统,指出该系统可以对作用于传感光纤上任意大小的振动信号进行定位,这是以往的系统所不能达到的。
在第二章中对全光纤分布式振动传感系统的工作原理作了具体分析,包括调制原理、解调原理及定位原理三个方面。此系统以末端镀以反射膜的单芯光纤作为传感光纤,通过构造光纤干涉系统,可实现对同一振动信号两次不同时刻的提取。干涉信号相位差的变化即反映了外界振动信号的变化,利用软件技术对相位差进行还原后,可以提取出振动信号的频谱特性,利用频域上叠加的振动谱呈现出的一系列周期性的极值点,可以对振动信号进行定位,拓宽了传统振动测量传感器的应用范围。本文从振动频谱叠加的角度讨论系统的定位原理,这种分析方法未见有文献报导过。
第三章着重阐述基于全光纤分布式振动传感系统的信号处理技术。系统的信号处理过程分为两个方面:相位解调算法和定位算法。通过对相位解调算法的研究,用以解决系统对任意大小振动信号的还原问题,并用软件实现了信号的解调。解调的结果如实地反映了原始振动信号,解决了以前研究方法普遍存在的测试振动幅度有限、只能适用于宽振动谱的缺点,大大提高了系统的应用范围,保证了定位的精确性。通过对定位算法的研究,用以确定任意振动信号在传感光纤上的位置,定位的算法涉及频谱分析及小波变换等现代信号处理手段。这些算法都是依据系统所输出的两路信号的特征提出的,因而具有创新性。以图形化编程语言LabVIEW作为软件开发平台,大大缩短了硬件测试、程序调试的周期。
第四章是实验研究与结果讨论。通过对系统用于总长约28km的野外实地铺设的通信光缆现场实验所采集的实际信号进行处理,验证了相位解调算法及定位算法的有效性及普适性,从而证明了该系统的实际应用价值。
最后第五章全文总结,回顾作者所做的工作并进行展望。