基于POTDR的分布式光纤传感技术及其应用

论文摘要

随着现代测量技术的发展,近二十年来光纤传感器越来越受到人们的重视。与传统的电类传感器相比,光纤传感器具有不受电磁干扰、适用范围广、分辨率高、易复用、体积小、重量轻等显著优点。分布式光纤传感（DOFS）是技术最成熟、应用最广泛的光纤传感技术之一,例如偏振光时域反射计（POTDR）,这种技术使用窄线宽激光器发射脉冲信号并注入待测光纤中,同时在发射端使用光探测器接收和检测瑞利散射光中的偏振态信息,它是一种通过检测光纤中传输光的偏振态变化来达到分布式光纤传感目的的一种新型传感技术,而光纤中传输光的偏振态变化实际上是由相位变化引起的,因此这种传感技术非常灵敏,可以感知常规OTDR感觉不到的微弱外界变化。论文首先将国内外对DOFS的研究现状作了一个详细的综述,发现它虽然发展十分迅速,但也有不足之处,针对POTDR来说,就有仅能探测到光纤线路上的一个扰动、信号弱、实用化不足等。课题拟在前人工作的基础上,针对POTDR的若干不足之处,提出一些全新的解决方法。具体完成的工作如下:（1）研究OTDR的工作原理、结构、典型测试曲线、特性参数等,同时指出OTDR的应用及其局限性,并在此基础上提出了POTDR分布式光纤传感技术。首先阐述了单模光纤中的偏振态和双折射、传输光的偏振态变化、瑞利散射等基础知识,然后对POTDR分布式传感的原理进行了描述。（2）POTDR采集的后向散射数据有很大的噪声,不利于后继的分析,而小波变换具有良好的时频域特性,因此本文采用小波变换对采集到的数据进行去噪处理,取得了良好的效果。（3）通过对系统的总体设计和关键器件的设计与选择,搭建并调试成功了一套基于POTDR的分布式光纤传感系统,同时将此系统应用于光缆监测,并在2km和14km距离处均取得了良好的传感效果,最后分析了监测系统的传感效果图,指出POTDR仅能探测到一个扰动点的缺陷。（4）因为POTDR用于光缆监测具有缺陷,所以在上一套系统的基础上提出并论证了一种基于POTDR和φ-OTDR相结合的光缆监测系统,充分改进了前者在各方面的性能。首先研究了φ-OTDR的基本原理,通过它在防入侵系统上的应用说明了其用于分布式传感的具体方法,并在此基础上设计了一个方案将POTDR和φ-OTDR结合到一个光缆监测系统中。调试成功后,本文提出的合成系统表现出了良好的性能,在定位精度为50m的前提下,系统在14km距离处获取到具有较高信噪比的传感信号,而且由于POTDR和φ-OTDR并行运行,对传输光脉冲的相位和偏振态的变化同时进行检测,共同判定微扰和进行定位,所以大幅提高了监测系统的准确度和灵敏度,降低了误判率和漏报率。（5）阐述数据采集与处理技术,并采用通用的可视化开发工具Visual C++来开发用于POTDR的数据采集与处理软件。该软件集成了仪器采集接口程序及测试面板、时域波形显示、数据分析处理、IO接口等多个功能。本论文在基于该软件的“软面板”的控制下完成了大量测试,测试结果证明了本软件的实际效用。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 光纤传感
• 1.3 FBG 点式、准分布式光纤传感技术
• 1.3.1 动态应变传感系统
• 1.3.2 应用及其局限性
• 1.4 分布式光纤传感技术
• 1.4.1 分布式传感技术的优势
• 1.4.2 分布式传感技术的种类和国内外研究现状
• 1.5 论文的意义和主要工作
• 1.5.1 论文的意义
• 1.5.2 论文的主要工作
• 第二章 POTDR 分布式光纤传感技术
• 2.1 OTDR 技术
• 2.1.1 工作原理
• 2.1.2 结构和典型测试曲线
• 2.1.3 特性参数
• 2.1.4 应用及其局限性
• 2.2 POTDR 的基本原理
• 2.2.1 单模光纤中的偏振态和双折射
• 2.2.2 光纤中传输光的偏振态变化
• 2.2.3 光纤中的瑞利散射
• 2.2.4 POTDR 分布式传感技术的基本原理
• 2.2.5 POTDR 的应用
• 第三章 基于小波变换的OTDR 信号去噪研究
• 3.1 小波变换的基本理论
• 3.1.1 连续小波变换
• 3.1.2 离散小波变换
• 3.1.3 小波多分辨率分析
• 3.2 小波变换在OTDR 信号去噪方面的应用
• 3.2.1 经典的滤波去噪方法
• 3.2.2 小波去噪的原理
• 3.2.3 小波阈值去噪法
• 第四章 基于POTDR 技术的光缆监测系统
• 4.1 系统设计
• 4.1.1 POTDR 结构的方案
• 4.1.2 总体设计
• 4.1.3 关键器件的设计与选择
• 4.1.4 系统的搭建
• 4.2 实验结果及其分析
• 4.2.1 脉冲周期与脉冲持续期
• 4.2.2 监测系统的实验效果及其分析
• 4.2.3 POTDR 用于光缆监测的优缺点
• 第五章 偏振和相位敏感两种OTDR 技术合成的光缆监测系统
• 5.1 φ-OTDR 分布式光纤传感技术
• 5.1.1 基本原理
• 5.1.2 防入侵系统
• 5.2 POTDR 和φ-OTDR 合成的光缆监测系统
• 5.2.1 合成系统光路结构的设计
• 5.2.2 实验效果及其分析
• 第六章 基于 Visual C++的数据采集与处理软件
• 6.1 传感信号的采集与处理
• 6.1.1 采样与时域定理
• 6.1.2 时域信号平均技术
• 6.2 程序设计
• 6.2.1 Visual C++概述
• 6.2.2 Visual C++中的MFC
• 6.2.3 设计流程图
• 6.2.4 主要结构和关键函数
• 6.3 软件界面及效果图展示
• 6.3.1 界面和菜单
• 6.3.2 POTDR 效果图展示
• 第七章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间的研究成果