长距离光纤传感系统

论文摘要

随着我国大型建筑、长距离管道、铁路、地铁、油气矿井等的快速发展,研究先进的长距离传感系统对这些设施进行安全健康检测显得尤为迫切。与传统的电传感器相比,光纤传感器具有抗腐蚀性能、防电磁干扰、传输损耗低、信号带宽大等优点。尤其是准分布式和分布式光纤传感器能够在一段光纤上拥有大量的传感点,成为了长距离传感系统的最佳选择之一。本文分别对基于布拉格光纤光栅（FBG）的准分布式传感系统和基于相位光时域反射计（Φ-OTDR）的分布式传感系统进行了研究,并实现了两种方式的长距离传感。首先,本文对FBG和Φ-OTDR传感系统的工作原理、应用及发展现状进行了系统的分析,对比其优缺点。接着研究分析了各种光纤放大技术的原理和优缺点,根据传感系统的特点和实际需要选择了将掺铒光纤放大和光纤喇曼放大技术应用于长距离光纤传感系统。然后,设计并搭建了可调环形腔光纤激光器以及长距离FBG传感系统。提出了采用双波喇曼和掺铒光纤混合放大的方式来延长系统传输距离。实验结果表明仅使用两只功率各170mW和180mW的喇曼泵浦,和一支40mW掺铒光纤泵浦,能够在100km的传输距离上获得大于57dB的优良信噪比。然后对系统远端的FBG进行了温度和静态应变实验,验证了系统的可靠性。同时将混合放大系统应用于光纤传感分析仪Si720,在100km远端获得了信噪比7dB的传感信号,并进行了温度和静态应变实验,验证了系统性能。最后,设计并搭建了基于掺铒光纤放大的Φ-OTDR传感系统。分析并测试了传感光纤的布里渊阈值,标定Φ-OTDR系统传感信号的最大功率。完成系统的扰动信号实验,并分析了基于掺铒光纤放大方式的优缺点。分别设计并搭建了基于前向喇曼放大和双向喇曼放大的Φ-OTDR传感系统,然后各自进行了扰动信号的传感实验,在50km的传感距离上获得了信噪比大于6dB的传感信号,并分析了基于这两种方式的Φ-OTDR传感系统的优缺点。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 光纤传感器发展概况
• 1.2 光纤传感器的分类
• 1.3 准分布式光纤传感系统的研究与发展
• 1.3.1 准分布式光纤传感的种类
• 1.3.2 FBG 传感器原理
• 1.3.3 长距离FBG 传感器系统的研究现状
• 1.4 分布式光纤传感系统的研究与发展
• 1.4.1 分布式光纤传感的种类
• 1.4.2 基于后向散射分布式光纤传感系统结构
• 1.4.3 Φ-OTDR 技术研究与发展现状
• 1.5 课题研究内容及意义
• 第二章 常用光纤放大器原理
• 2.1 前言
• 2.2 掺铒光纤放大器
• 2.2.1 EDFA 基本原理
• 2.2.2 EDFA 基本结构及分类
• 2.2.3 EDFA 增益频谱
• 2.2.4 EDFA 的优缺点
• 2.2.5 其它掺杂光纤放大器
• 2.3 喇曼光纤放大器
• 2.3.1 FRA 基本原理
• 2.3.2 FRA 基本结构及分类
• 2.3.3 FRA 的优缺点
• 2.4 半导体光纤放大器
• 2.5 光纤放大器的比较
• 2.6 本章小结
• 第三章 长距离FBG 传感系统
• 3.1 引言
• 3.2 环形腔光纤激光器
• 3.2.1 环形腔光纤激光器结构及原理
• 3.2.2 环形腔光纤激光器的理论分析及计算
• 3.2.3 可调谐滤波器的选择
• 3.2.4 基于光纤环形激光器的FBG 传感系统结构
• 3.2.5 基于光纤环形激光器的FBG 传感系统实验及分析
• 3.3 基于双波长FRA 和EDFA 放大的FBG 传感系统
• 3.3.1 FBG 传感系统光放大器设计
• 3.3.2 双波长FRA 和EDFA 混合放大的FBG 传感系统结构
• 3.4 FBG 传感理论及估算
• 3.5 长距离FBG 传感实验
• 3.6 长距离FBG 传感系统的容量
• 3.7 基于光纤传感分析仪的长距离FBG 传感系统
• 3.8 本章小结
• 第四章 长距离Φ-OTDR 传感系统
• 4.1 引言
• 4.2 Φ-OTDR 基本原理及系统结构
• 4.2.1 光纤中的光散射原理
• 4.2.2 Φ-OTDR 系统结构
• 4.2.3 Φ-OTDR 系统主要性能参数
• 4.2.4 Φ-OTDR 系统光源的选取
• 4.3 光纤布里渊阈值测量
• 4.3.1 受激布里渊散射原理
• 4.3.2 受激布里渊散射阈值
• 4.3.3 布里渊散射阈值的测量
• 4.4 基于EDFA 的Φ-OTDR 系统
• 4.4.1 EDFA 在Φ-OTDR 的应用及其实验
• 4.4.2 EDFA 在Φ-OTDR 的应用中的优缺点
• 4.5 基于FRA 的长距离Φ-OTDR 系统
• 4.5.1 单、双泵浦FRA 的理论仿真
• 4.5.2 前向泵浦FRA 在Φ-OTDR 的应用及其实验
• 4.5.3 双向泵浦FRA 在Φ-OTDR 的应用及其实验
• 4.6 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果