双Mach-Zehnder型光纤油气管道安全系统中的偏振控制

论文摘要

油气长输管道是油气资源重要的输送手段,其总里程数随着我国国民经济的飞速发展而迅速增长,人们对管道安全问题的重视也与日俱增。本课题组研发的基于双Mach-Zehnder光纤干涉仪的分布式光纤油气管道安全检测及预警系统,能够对威胁管道安全的入侵行为进行预警并准确定位,避免油气泄漏所造成的环境污染和经济损失,具有巨大的社会和经济效益。本系统在定位时采用了互相关函数估计时延的方法,该方法要求两路检测信号具备较强的相关性。但在实际应用中,该系统常常出现信号相关性不稳定的问题,造成定位时出现粗大误差,甚至无法定位。本文对系统检测信号相关性下降的原因和抗偏振衰落方法进行了深入研究,主要的研究内容如下:（1）分析了光纤振动传感系统从外部激振信号向光电流信号转换的全过程,阐明了分布式光纤油气管道安全预警系统的定位原理。（2）利用系统光路的琼斯矩阵偏振模型分析了单Mach-Zehnder光纤干涉仪的信号传输过程和双Mach-Zehnder光纤干涉仪的信号相关性,找到了信号幅度衰落和相位偏移的影响因素,指出传感光纤偏振特性的不一致性使系统检测信号对输入偏振态敏感是造成信号相关性恶化的根本原因这一结论。通过分析发现对输入偏振态进行控制,搜索系统偏振态工作点是更为可行的抗偏振衰落方法,并明确了偏振控制算法必须具备的两种能力。（3）设计实验获取了偏振控制器件的控制特性,选择模拟退火算法作为偏振控制算法,通过实验确定了算法中初始温度、最大搜索步长和温度更新常数等关键参数的最优值。经现场实验验证,该算法可有效消除相位畸变对定位造成的不利影响从而持续稳定双臂检测信号的相关系数,提高了系统的稳定性。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 分布式光纤油气管道安全预警系统
• 1.3 偏振衰落对系统的影响
• 1.4 抗偏振衰落技术介绍
• 1.5 本课题研究的意义及主要研究内容
• 第二章 分布式光纤油气管道安全预警系统的数学模型
• 2.1 引言
• 2.2 光纤振动传感系统的数学模型
• 2.2.1 地基振动模型
• 2.2.2 光缆横向振动模型
• 2.2.3 光纤形变
• 2.2.4 光波相位调制
• 2.2.5 光电转换
• 2.2.6 仿真结果
• 2.3 分布式Mach-Zhnder 光纤干涉系统定位的数学模型
• 2.4 小结
• 第三章 双Mach-Zehnder 光纤干涉系统的信号相关性
• 3.1 引言
• 3.2 MZ 系统信号的相关性
• 3.2.1 单Mach-Zhnder 干涉信号
• 3.2.2 双Mach-Zhnder 干涉信号的相关性
• 3.3 对偏振控制的要求
• 3.4 小结
• 第四章 基于偏振控制的抗偏振衰落方法
• 4.1 偏振控制器分析
• 4.1.1 电控压电式偏振控制器控制原理
• 4.1.2 偏振控制器的控制特性
• 4.2 全局搜索算法
• 4.3 模拟退火算法
• 4.3.1 基于双臂相关系数的模拟退火算法原理
• 4.3.2 算法关键参数的设定
• 4.4 现场实验
• 4.5 小结
• 第五章 总结和展望
• 5.1 总结
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢