分布式马赫—泽德干涉仪的原理与应用研究

论文摘要

光纤传感器经历了近20年的发展,取得了引人注目的成就,在军事,工业,科研等领域发挥了巨大的作用。其具备了灵敏度高、动态范围大、不受电磁干扰等突出的优点。在包括强度、频率、波长、偏振调制等多种光纤传感形式当中,相位调制型具有最高的灵敏度,而分布式干涉型光纤振动传感器则可以实现连续高精度定位传感,具备广阔的应用前景。本论文从应用的角度对分布式干涉型光纤振动传感器技术中的一些基础问题进行研究了探讨。论文由以下6个部分组成:(1)管道检测技术的现状与发展趋势。(2)不同分布式光纤传感之间的原理对比以及理论分析。(3)干涉型分布式光纤振动传感器中光源的驱动设计。(4)从理论和实验两个方面对分布式干涉型光纤振动传感器的信号解调处理进行分析和探讨。(5)分布式光纤传感器信号检测以及数据采集系统的研究。(6)结束语。论文的第一部分是在参阅其他文献的基础上,对管道检测技术的现状和发展趋势作一个一般性的总结。论文的第二部分对分布式光纤传感器的原理分析作一简单的说明后,重点研究了分布式干涉型光纤振动传感器中的一些关键技术问题。论文的第三部分从分布式干涉型光纤振动传感器对光源的要求出发,采用了高稳定度的恒温控制以及功率稳恒控制方法,通过高信噪比的运算放大器,半导体制冷器,设计了一种激光电源驱动系统,并进行了理论分析和实验验证。结果表明,本系统不仅结构简单,而且温度控制稳定、准确度高。可使半导体激光器的输出波长保持稳定,保证了干涉型光纤传感器的测量准确度。论文的第四部分从理论上推导分析干涉型光纤振动传感器信号调制和解调原理。指出解调的必要性和目前常用的解调方法,设计信号解调方案,根据实验说明3×3耦合器解调方法的特点。由此分别介绍讨论了Labview软件相位解调的方法和效果。论文的第五部分着重研究讨论数据处理系统的实现方法,给出了以高性能数字信号处理器(DSP)、可编程逻辑器件(CPLD)和USB2.0接口为基础的硬件实现框架,并详细介绍了硬件实现的各个组成部分,包括芯片选用、电路连接和软件编程等,以此硬件平台为基础,实现了输出光功率检测子系统的数据处理。在论文的最后,根据实验结果及相应的理论分析,对整个研究作了一简单的总结。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 项目背景
• 1.2 分布式光纤传感技术综述
• 1.3 国内外研究概况
• 1.4 本文任务
• 2 分布式光纤传感器管道泄漏检测技术
• 2.1 目前常用的管道泄漏检测技术的研究
• 2.2 光纤传感器在管道泄漏检测技术方面的发展
• 2.3 光纤声波传感技术在管道泄漏检测中的应用展望
• 2.4 本章小结
• 3 干涉型分布式光纤传感器原理
• 3.1 分布式光纤传感技术的概况
• 3.2 OTDR 光纤传感器在管道泄漏检测中的工作原理
• 3.3 基于MACH-ZEHNDER 光纤干涉仪的光纤传感器理论基础
• 3.4 本章小结与创新点
• 4 干涉仪光源的高精度稳频控制系统设计
• 4.1 光源谱宽对干涉仪探测精度的影响分析
• 4.2 半导体激光器驱动电源设计要求分析
• 4.3 半导体激光器驱动电路中恒流源的具体设计
• 4.4 半导体激光器保护电路设计
• 4.5 高精度半导体激光器温度控制系统技术研究
• 4.6 半导体激光器介绍
• 4.7 试验结果
• 4.8 本章小结与创新点
• 5 干涉型分布式光纤振动传感器解调系统设计
• 5.1 相位载波零差法（PGC）解调原理
• 5.2 3×3 耦合器法相位解调原理
• 5.3 3×3 耦合器法软件解调实验结果
• 5.4 本章小结与创新点
• 6 信号处理以及数据采集系统设计
• 6.1 噪声分析以及滤波器的设计
• 6.2 数据采集系统硬件设计
• 6.3 数据采集系统的软件实现
• 6.4 实验结果
• 6.5 本章小结与创新点
• 7 总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表论文目录