相干BOTDR温度和应变传感系统关键技术研究

论文摘要

分析了光纤的布里渊散射特性及其对温度和应变的传感机理,建立了布里渊散射谱与光纤温度和应变的对应关系。对基于FFT的BOTDR温度和应变传感信息解调方法进行了Matlab仿真。分析了利用非线性反射镜提高BOTDR系统信噪比的原理,并给出了将其应用于改善直接检测和相干检测BOTDR系统信噪比的传感模型。设计了基于Landau-Placzek Ratio的相干检测式光纤布里渊温度和应变同时测量系统,对光源子系统、光脉冲调制子系统、微波下变频器子系统进行了详细分析,重点设计了微波下变频器子系统并给出了具体的设计方案和各个组件的参数。完成了系统中前向传输脉冲和背向散射信号时域波形的测试。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 基于BOTDR 的温度和应变测量的研究现状
• 1.2.1 直接检测
• 1.2.2 相干检测
• 1.2.2.1 声光移频的 BOTDR 系统
• 1.2.2.2 电光移频的 BOTDR 系统
• 1.2.2.3 微波外差检测的 BOTDR 系统
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第二章 BOTDR 系统中温度和应变测量原理
• 2.1 光纤中的布里渊散射
• 2.1.1 光纤中的光散射
• 2.1.2 光纤中的布里渊散射机理
• 2.2 布里渊频移与温度和应变的对应关系
• 2.2.1 布里渊频移与温度的关系
• 2.2.2 布里渊频移与应变的关系
• 2.3 布里渊强度与温度和应变的对应关系
• 2.4 BOTDR 系统中温度和应变的同时测量机理
• 2.5 小结
• 第三章 基于 FFT 的 BOTDR 系统温度和应变信息解调方法
• 3.1 FFT 在谱分析中的应用
• 3.1.1 谱分析中的参数选择
• 3.1.2 谱分析的步骤
• 3.2 FFT 谱分析在 BOTDR 温度和应变信息解调中的应用
• 3.2.1 仿真时所用传感系统
• 3.2.2 仿真参数的选择
• 3.3 利用频移信息实现温度及应变解调的 FFT 仿真
• 3.3.1 温度信息解调的FFT 仿真
• 3.3.2 应变信息解调的FFT 仿真
• 3.4 利用强度信息实现温度解调的 FFT 仿真
• 3.5 基于FFT 的BOTDR 温度和应变信息同时解调方法仿真
• 3.6 小结
• 第四章 非线性反射镜在提高 BOTDR 系统信噪比中的应用
• 4.1 光纤3 dB 耦合器的特性
• 4.1.1 耦合模方程
• 4.1.2 传输矩阵
• 4.2 非线性反射镜工作原理
• 4.3 非线性反射镜在BOTDR 系统中的应用
• 4.4 小结
• 第五章 相干 BOTDR 温度和应变同时测量系统
• 5.1 传感系统整体设计
• 5.2 光源子系统
• 5.2.1 窄谱光源
• 5.2.2 宽谱光源
• 5.3 光脉冲调制子系统
• 5.4 微波下变频器子系统
• 5.4.1 低噪声放大器的选择
• 5.4.2 微波混频器和微波检波器的选择
• 5.4.2.1 微波混频器的选择
• 5.4.2.2 微波检波器的选择
• 5.4.3 频率综合器模块的选择
• 5.4.4 带通滤波器的选择
• 5.5 相干检测中的消偏振衰落技术
• 5.6 部分实验结果
• 5.6.1 前向脉冲光测试
• 5.6.2 背向散射信号的测量
• 5.7 小结
• 第六章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间发表的学术论文和参加科研情况