高性能分布式光纤振动传感技术的研究

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分布式光纤传感器是以光纤为传输介质和敏感元件的传感器,以其能对整段待测光纤同时进行检测的能力而被广泛的应用在各个领域中,例如在管道监测、大型建筑监测中,需要对振动信号进行检测。作用在光纤上的振动信号能调制折射率,从而影响在光纤中传播的光的相位。检测这个由振动带来的额外的相位,就能实现对振动事件的检测。实现分布式振动传感有频域检测方法和时域检测方法两种主要手段。本文分别研究了这两种技术,其中,使用频域方法的传感器是基于光频域反射计(OpticalFrequencyDo-mainReflectometry,OFDR)的。通过理论结合模拟研究,提出了在 OFDR 系统中使用由光源外调制的手段来获得线性啁啾光的方法,并在此基础上搭建了 OFDR系统。通过调频连续波技术测量了探测光的线宽,确定了这个OFDR系统适用的工作长度,并以之实现了距离为4.1km空间分辨率为0.7m的端面反射信号检测。并成功在不同振动幅度下检测到距发射端4.1km,频率为30kHz的正弦振动信号。在振动检测的基础上,讨论了振动频率识别过程中所用的参数对检测性能的影响。另一种实现的技术是基于相位敏感光时域反射计(Phase-sensitive Optical Time Domain Reflectometry,ΦOTDR)的时域检测方法。在理论研究的基础上,采用外差检测和相位解调,实现了可进行高性能的振动检测的ΦOTDR。实验中检测到了一个距离发射端23km,频率为300Hz的振动事件,而且系统能对振动的幅度和频率进行距离无关的线性定量检测。另外的,对于影响ΦOTDR检测性能的干涉衰弱现象,本文提出使用双频光源交替扫描的方法来进行振动检测,以降低干涉衰弱对检测结果的干扰,并在实验上对其进行了验证。本文研究了高性能分布式光纤振动传感的两种实现方案,基于频域方法的OFDR能检测振动事件的频率范围更大,而基于时域方法ΦOTDR能定量测量振动的幅度,两者分别适应于不同的工程应用场合。
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