基于相位载波技术的全光纤分布式传感系统及其稳定性研究

论文摘要

随着社会的高度发展,人们对于安全防护的需求越来越高。特别是用于高安全场所的安全防范系统,一方面面临着复杂自然环境的考验,要做到不受任何天气、地形及其他环境因素的影响;另一方面随着安全防范范围的扩大,犯罪手段的现代化,更需要全方位大范围的安全防范手段和系统,同时尽可能的减低人为操作失误因素带来的损失。在这种背景下,分布式光纤定位传感器做为一种全新的分布式安全防护技术开始被研究。由于光纤的工作频带宽,易于感应被测量,灵敏度高,响应快,动态范围大,传输损耗低,因此为实现长距离多参量的监测提供了可能,同时光纤易弯曲、抗电磁干扰、抗腐蚀、抗辐射等特点,特别适合在易燃、易爆、空间受限制及强电磁干扰的恶劣环境下使用。基于现有的全光纤分布式定位系统研究,本文提出了一种全新的、基于相位载波解调技术增加感应光纤长度的全光纤分布式干涉定位系统,并针对该系统的稳定性做了一定的研究。通过模拟实验,本文验证了该系统的定位功能,并证明了系统在提高偏振态稳定性方面的功能。本文的具体工作包括以下几个方面:利用激光器、相位调制器、耦合器、法拉第旋转镜、光探测器和光纤等器件构造出双干涉光路的全光纤分布式相位载波振动传感系统。具体推导了系统的工作原理:当振动信号施加于光纤时,振动的作用导致光纤的长度和折射率发生了变化,从而引起感应光纤中传输光的相位的改变。通过干涉光路使光相位的改变转换为光强的变化。利用软件技术对相位差进行还原后,可以提取出振动信号的频谱特性,利用频域上叠加的振动谱呈现出的一系列周期性的极值点,可以对振动信号进行定位。通过相位载波技术,在两路感应光纤上加载不同的载波频率,再在信号接收端将两路信号分别解调,实现单光路结构同时监测双倍长度的感应光纤。此外,本文还对系统的稳定性进行了理论分析,证明了通过使用法拉第旋转镜代替常用的镀膜反射镜作为光反射端使用可使系统的偏振态不敏感,信号稳定性大大提高。在对系统的工作原理及其稳定性分析的基础上,通过模拟信号实验和踩踏信号实验,验证了相位解调算法及定位算法的有效性;通过和采用反射镜作为光反射段的全光纤分布式定位系统进行对比实验,验证了本文所提出的系统的信号稳定性大大提高,从而证明了该系统的实际应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 光纤传感器简介
• 1.2 相位载波生成（PGC）技术在干涉型光纤传感器中的应用概况
• 第二章 基于相位载波技术的全光纤分布式传感系统介绍
• 2.1 系统结构
• 2.2 系统原理
• 2.2.1 调制原理
• 2.2.2 解调原理
• 2.2.3 定位原理
• 2.3 系统中所用到的光器件
• 2.3.1 超辐射发光二极管光源
• 2.3.2 光环行器
• 2.3.3 光纤耦合器
• 2.3.4 光电二极管
• 2.3.5 光纤
• 2.3.6 法拉第旋转镜
• 2.3.7 压电陶瓷（PZT）
• 第三章 相位载波解调在全光纤分布式振动传感系统中的应用
• 3.1 全光纤分布式振动传感系统中的相位载波解调原理
• 3.1.1 相位载波调制
• 3.1.2 相位载波解调
• 3.2 调制频率的确定
• 第四章 全光纤分布式振动传感系统信号稳定性的研究
• 4.1 光纤中光的偏振
• 4.1.1 琼斯形式
• 4.1.2 斯托克斯矢量
• 4.1.3 庞加球
• 4.2 系统光路的偏振分析
• 第五章 实验研究与结果讨论
• 5.1 SR830数字锁相放大器简介
• 5.1.1 SR830锁相放大器的主要特性
• 5.1.2 SR830锁相放大器的原理
• 5.2 Labview简介
• 5.3 在全光纤振动传感系统中应用相位载波解调的实验验证
• 5.3.1 实验条件的实现
• 5.3.2 定位功能的验证
• 5.4 信号稳定性的验证
• 第六章 全文总结
• 参考文献
• 作者简历
• 致谢