分布式光纤传感与信息处理技术的研究及应用

论文摘要

光纤传感技术是20世纪70年代伴随着光纤通信技术的发展而迅速发展起来的,以光波为载体,光纤为媒介,感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。分布式光纤传感技术可以在整个光纤长度上对沿光纤分布的环境参量进行连续测量,同时获得被测量的空间分布状态,在民用和军事上具备广泛的应用前景,因此成为目前国内外研究的热点。本论文从长距离、高精度、多信道及信号解调简单等研究角度,针对全分布式、准分布式光纤传感和信息处理技术进行了深入的理论和实验研究,并探讨其应用价值。主要研究成果如下:（1）提出全分布式长程马赫-泽德干涉（MZI）及直流光环路定位两项创新技术,研究直线型和环型结构的两种新型MZI分布式光纤振动传感器,分别适合于长距离管线监测和周界监测,并实现了多点振动的高精度检测和准确定位。（2）提出一种环路反馈型非平衡MZI传感技术。通过无源或有源光纤反馈环路,在MZI中引入多光束干涉。相比传统MZI,其相位检测灵敏度提高2～3个数量级。（3）提出一种连续内刻高密度全同弱布拉格反射周期结构的新型传感光纤以及一种基于时间域和频率（波长）域二维空间数据分析的“光波长时域反射”的创新技术,可同步实现精密传感与准确定位,并由此构建大容量、长距离、精密测量、准确定位的准分布式光纤传感系统。（4）提出一种多信道的温度异常报警传感技术。利用多波长啁啾取样光栅的多信道波长反射特性,每个信道波长对应一个温度监测点,通过波长比对检测,结合时分复用技术实现超温报警与定位位置。这种传感器不需要波长解调,不同位置温度报警阈值可灵活设计,响应速率较高,非常适合于火灾探测报警。（5）提出一种基于线性啁啾光栅（LCFBG）的光波时延调制型光纤传感创新技术。利用LCFBG的线性群延时谱,通过测量单色脉冲光波经过光栅后引起的光时延变化确定待测参量大小。其优点是结构简单,在时域解调信号,从而省去波长解调器。这种传感器单元在准分布式传感中有很好的应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 分布式光纤传感技术的研究意义
• 1.2.1 分布式温度传感器
• 1.2.2 分布式应力传感器
• 1.2.3 分布式振动传感器
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 基于光纤后向散射的全分布式光纤传感技术
• 1.3.2 长距离干涉传感技术
• 1.3.3 基于光纤干涉仪的准分布式光纤传感技术
• 1.3.4 基于FBG 的准分布式光纤传感技术
• 1.4 分布式光纤传感技术的发展方向
• 1.5 本文的主要工作
• 2 长程马赫－泽德干涉型分布式振动传感技术的理论研究
• 2.1 引言
• 2.2 研究内容
• 2.3 传感原理研究
• 2.3.1 传感光纤的光弹效应
• 2.3.2 马赫－泽德干涉仪的工作原理
• 2.3.3 长程马赫－泽德干涉结构的干涉可见度
• 2.3.4 长程马赫－泽德干涉仪的噪声分析
• 2.4 信号解调原理
• 2.4.1 基于对称3×3 光纤耦合器的信号解调方案
• 2.4.2 基于对称3×3 光纤耦合器的信号解调方案的实现
• 2.4.3 基于对称3×3 光纤耦合器的信号解调方案的缺点
• 2.4.4 非对称3×3 光纤耦合器的改进型信号解调方案
• 2.5 分布式传感信号定位原理
• 2.5.1 直流光环路定位原理
• 2.5.2 时间差测量方法
• 2.5.3 多点振动定位原理
• 2.6 主要创新点
• 2.7 本章小结
• 3 长程马赫－泽德干涉型分布式振动传感器的实验与应用研究
• 3.1 引言
• 3.2 研究内容
• 3.3 直线型MZI 结构的分布式振动传感系统
• 3.3.1 系统结构及工作原理
• 3.3.2 实验研究
• 3.3.3 局限性
• 3.4 环型MZI 结构的分布式振动传感系统
• 3.4.1 系统结构及工作原理
• 3.4.2 实验研究
• 3.5 分布式光纤围栏周边警戒系统
• 3.6 光纤增敏研究
• 3.6.1 传感光纤的灵敏度研究
• 3.6.2 特殊涂覆层光纤
• 3.6.3 双芯光纤
• 3.6.4 聚合物封装
• 3.6.5 光纤铺设方式
• 3.7 事件识别依据
• 3.7.1 光缆事件特点
• 3.7.2 事件识别建模
• 3.8 主要创新点
• 3.9 本章小结
• 4 马赫－泽德干涉型光纤传感器的灵敏度优化方法
• 4.1 研究背景
• 4.2 研究内容
• 4.3 优化结构设计及理论研究
• 4.4 数值模拟及讨论
• 4.4.1 无源环路反馈
• 4.4.2 有源环路反馈
• 4.5 主要创新点
• 4.6 本章小结
• 5 光纤布拉格光栅的分析、设计及制作方法研究
• 5.1 研究背景
• 5.2 研究内容
• 5.3 光纤布拉格光栅的设计理论
• 5.3.1 光纤布拉格光栅光学特性的分析方法
• 5.3.2 光纤布拉格光栅光学特性的数值模拟和设计
• 5.3.3 光纤布拉格光栅的制作
• 5.4 主要创新点
• 5.5 本章小结
• 6 弱布拉格反射周期结构光纤理论及分布式传感应用研究
• 6.1 研究背景
• 6.2 研究内容
• 6.3 弱布拉格反射周期结构光纤的设计理论
• 6.4 弱布拉格反射周期结构智能光纤的在线制备工艺
• 6.4.1 弱布拉格反射周期结构的在线制备技术
• 6.4.2 全同弱布拉格反射周期结构的连续在线写入技术
• 6.5 “光波长时域反射”技术
• 6.6 分布式传感应用研究
• 6.7 实验结果及讨论
• 6.7.1 实验条件
• 6.7.2 实验结果及讨论
• 6.8 主要创新点
• 6.9 本章小结
• 7 基于多信道参考光栅的多点温度异常报警传感器
• 7.1 研究背景
• 7.2 研究内容
• 7.3 设计思想
• 7.4 实现方案
• 7.5 改进方案
• 7.6 实验研究
• 7.6.1 多信道参考光栅制作
• 7.6.2 多波长脉冲激光器
• 7.6.3 传感光栅制作
• 7.6.4 传感器测量范围和测量误差的理论分析
• 7.6.5 实验结果和讨论
• 7.7 系统特点和性能优化
• 7.8 主要创新点
• 7.9 本章小结
• 8 基于光波时延调制的光纤传感器
• 8.1 研究背景
• 8.2 研究内容
• 8.3 设计思想
• 8.4 工作原理
• 8.5 数值模拟结果及讨论
• 8.6 实验结果及讨论
• 8.7 性能优化
• 8.8 准分布式光纤传感中的应用
• 8.9 主要创新点
• 8.10 本章小结
• 9 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表论文目录
• 附录2 攻读博士学位期间获批和申请专利