POTDR传感技术的研究

论文摘要

基于偏振光时域反射（Polarization optical time-domain reflectometer ,POTDR）技术的分布式光纤传感是通过检测光纤中偏振态变化来达到分布式光纤传感目的的一种新型传感器。传统的OTDR技术只能检测出较大的温度或应力变化,但是无法检测出微弱的温度或应力变化。POTDR技术可以很好的解决这个问题。当光纤上受到外界微弱的温度或应力作用时,光纤中的偏振态将会发生变化。光纤中偏振态的变化实际上是由相位变化引起的,所以这种方法是非常灵敏的,可以探测OTDR探测不到的微弱外界变化。所以对POTDR传感技术的研究有重要意义。论文的主要研究内容如下:1.仔细研读了大量相关文献,详细研究了分布式光纤传感器的国内外研究现状,分析了基于光时域反射（OTDR）技术的分布式光纤传感器的不足,提出了基于POTDR技术的分布式传感系统。2.深入研究了POTDR传感系统各种理论,全面分析了系统的性能参数:空间分辨率、最远可测距离、动态范围、相位差与外力的关系、灵敏度以及信噪比。3.设计了POTDR分布式光纤传感系统,通过分析各组成元件的种类、特性,并结合系统的需要,实现了光纤起偏器、环行器等器件的选取;为了探测传输光的两正交模式（ eHE11模和oHE11模）的偏振信息,设计研制了具有高消光比、高透射率的偏振分束器,并分析了测试结果及影响器件消光比和透射率的因素;光探测及放大电路实现信号的光电转换并放大,得到清晰的电压信号。4.最后给出系统的实验结果及分析。通过实验结果表明:采用数字平均可提高系统的信噪比;选用适当的脉冲宽度,可提高系统的空间分辨率;未加外力时,两正交模式的偏振强度大小相反;施加外力时,两正交模式产生模式耦合,并且随着压力的增大,偏振信息成周期变化;当温度发生变化时,偏振信息也发生相应的改变。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文研究的目的与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 液芯光纤OTDR
• 1.2.2 辐射OTDR
• 1.2.3 微弯OTDR
• 1.2.4 基于拉曼效应的OTDR
• 1.2.5 受激布里渊OTDR
• 1.2.6 偏振敏感OTDR
• 1.3 本文的主要工作
• 第二章 POTDR 传感的基本原理及相关理论分析
• 2.1 OTDR 的基本原理
• 2.1.1 OTDR 的后向散射理论
• 2.1.2 OTDR 的结构
• 2.1.3 OTDR 的主要功能
• 2.1.4 OTDR 的局限性
• 2.2 POTDR 的基本理论
• 2.2.1 光纤中传输光的偏振态变化
• 2.2.2 双折射的影响
• 2.2.3 POTDR 的结构和传感原理
• 2.3 系统空间分辨率的分析
• 2.4 系统最大可测距离的分析
• 2.5 系统动态范围的分析
• 2.6 相位差与外加压力的分析
• 2.7 系统灵敏度的分析
• 2.8 提高系统信噪比的分析
• 2.9 小结
• 第三章 POTDR 传感系统设计
• 3.1 POTDR 传感系统结构设计和实验装置
• 3.2 激光光源
• 3.3 光纤起偏器
• 3.4 光纤环行器
• 3.5 传输用光纤
• 3.6 高消光比偏振分束器的设计与研制
• 3.6.1 偏振分束器的原理结构
• 3.6.2 低损耗准直器的结构设计
• 3.6.3 高消光比、高透射率的OE 双输出棱镜的设计
• 3.6.4 偏振分束器的制作
• 3.6.5 测试结果及分析
• 3.6.6 影响消光比、透射率的因素
• 3.7 光信号的探测
• 3.8 小结
• 第四章 实验结果与分析
• 4.1 脉冲宽度的选择
• 4.2 平均次数对信噪比的改善
• 4.3 不加压力时两模式偏振信息及合成图
• 4.4 两偏振模式受力前后的比较
• 4.5 在同一点加不同压力
• 4.6 在两点加压力偏振模式的变化
• 4.7 温度影响图
• 4.8 测量距离
• 4.9 小结
• 第五章 总结
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间的研究成果