基于瑞利散射的分布式光纤振动传感技术研究

论文摘要

在岸基水声警戒系统中，大规模光纤水听器阵列与长距离的传输光缆是其重要部分。但是水下光纤水听器阵列易受到海洋湍流、海底生物及人为的破坏；长距离的传输光缆易受到岸上施工、人为盗挖的影响。这种大规模光纤水听器岸基警戒系统一旦遭受破坏，将需要花费大量的人力物力进行修复。因此，研究一种测量精度高、预警范围广且成本低的光纤传感系统成为了当务之急。分布式光纤传感以其成本低，预警范围广等优点而成为安防领域的重要研究对象。然而以往的分布式光纤传感系统虽然能够较为精确地定位外部破坏性的振动信号，但是不能实现信号波形与频谱的测量。本文所研究的干涉型分布式光纤传感系统能够对沿光纤链路范围内的振动信号进行远程安全检测，并能有效获取外界振动信号波形。同时，这种分布式光纤传感系统可以利用岸基水声警戒系统传输光缆的备用光纤实现传感，降低了系统成本，具有较好的应用前景。本课题结合教研室已有的光纤水听器外差时分复用阵列技术研究基础，从机理分析、方案设计、实验验证等方面开展基于瑞利散射的干涉型分布式光纤传感技术研究。主要完成了以下工作：（1）总结分布式光纤传感系统的研究现状和应用情况，在分析他们优缺点的基础上，指出基于瑞利散射的干涉型分布式光纤振动传感技术可用于岸基水声警戒系统的安全监测；（2）阐述瑞利散射机理，分析光时域反射定位原理以及外界振动引起光纤中光相位变化的机理；（3）设计基于瑞利散射的干涉型分布式光纤振动传感系统方案与基本参数，分析了瑞利散射光干涉信号的特征以及信号通道相邻的通道产生串扰的机理，研究了DCM与Arctangent两种外差解调方法的动态范围以及光学噪声对信号解调的影响。结果表明两种外差解调算法都对瑞利散射光强扰动噪声具有一定的抑制作用，而外差-Arctangent算法的动态范围略高于PGC解调算法；（4）在搭建实验系统的基础上进行实验研究，分析满足本系统的最大注入光强。完成了1.8km分布式光纤传感实验，实现了225m处500Hz及800Hz的不同幅度振动信号的定位，系统达到的空间分辨率为25m，并获得了此处的振动信号波形与频谱。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 分布式光纤传感技术
• 1.2.1 基于干涉仪原理的分布式光纤传感技术
• 1.2.2 基于光时域反射原理的分布式光纤传感技术
• 1.3 基于相干瑞利散射的分布式光纤传感技术
• 1.3.1 相位敏感光时域反射计（Φ-OTDR）
• 1.3.2 相干光时域反射计（COTDR）
• 1.3.3 基于光时域反射原理的干涉型分布式光纤传感系统
• 1.4 本课题的意义及主要研究内容
• 第二章 瑞利散射分布式光纤振动传感机理分析
• 2.1 瑞利散射
• 2.1.1 瑞利散射机理[30]
• 2.1.2 光纤中的瑞利散射
• 2.2 光时域反射机理分析
• 2.2.1 基本原理
• 2.2.2 基于 OTDR 原理的分布式光纤传感系统特性参数
• 2.3 光纤振动传感机理分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 分布式光纤振动传感系统设计
• 3.1 系统结构与参数设计
• 3.1.1 系统总体结构
• 3.1.2 系统工作原理分析
• 3.1.3 系统关键部件及参数设计
• 3.2 光学干涉信号特征分析
• 3.3 光学信号检测方法设计与分析
• 3.3.1 光学信号检测系统设计
• 3.3.2 光学外差检测方法设计
• 3.3.3 信号解调算法性能分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于瑞利散射的分布式光纤振动传感实验研究
• 4.1 瑞利散射光强测试
• 4.1.1 最大注入光强分析
• 4.1.2 相干瑞利散射光测试
• 4.2 传感系统实验研究
• 4.2.1 300m 光纤传感初步实验
• 4.2.2 1.8km 光纤传感实验
• 4.3 本章小结
• 第五章 结论及需要进一步解决的问题
• 5.1 课题总结
• 5.2 存在的问题及下一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果