外差检测布里渊光时域反射技术实验平台搭建与关键技术研究

发布时间：2020-04-03 19:40

【摘要】：众所周知,光纤作为当今世界最主要的传输与传感介质,有着其不可取代的地位。作为传感介质的光纤,具有易被各种光探测器件接收、高灵敏度、性能稳定的优点;而作为传输介质的光纤,具有可方便的进行光电或电光转换、在传输过程中不受电磁干扰、非侵入性和信号损失量小的优点。光纤传感技术利用光纤可以同时作为传输与传感介质的特性而迅速发展起来,根据其检测方式的不同可以划分为以下三类:点式、准分布式和分布式光纤传感技术(Distributed Optical Fiber Sensing Technology,DOFS),其中DOFS是当今世界热门研究课题之一。DOFS可以按照不同的散射光类型分为以下三类:基于布里渊散射的DOFS、基于拉曼散射的DOFS和基于瑞利散射的DOFS。虽然基于布里渊散射的DOFS与另外两种DOFS相比被提出的时间较晚一些,但其在对温度和应力进行传感时可以实现的传感距离和实验参数的精确程度等均强于另外两种DOFS,此外通过探测布里渊散射信号的频移和强度等传感参量,可以同时实现对温度和应力的双参传感。因此,基于布里渊散射的DOFS吸引了众多研究人员参与其中并取得了丰硕的研究成果。本文在对在基于布里渊散射的DOFS进行了大量的调研与深入的研究之后,设计了一种基于光域频移(Optical Domain Frequency Shift,ODFS)的外差检测布里渊光时域反射系统(ODFS-BOTDR)的设计方案,根据设计方案搭建ODFS-BOTDR实验平台,并在搭建好的实验平台上进行相关理论验证与实验研究。主要研究内容如下:首先,本文简要介绍了五种基于布里渊散射的DOFS及其国内外研究现状,并按照原理对这五种技术进行分类与比较;从原理、散射信号特性等方面着重分析了光纤中的布里渊散射,通过探测布里渊散射信号的频移和强度等传感参量,可以同时实现对温度和应力的双参传感;提出了一种解决布里渊散射信号传感参量对应力和温度交叉敏感问题的解决方案并简要概括了布里渊散射信号的检测方法为后续搭建ODFS-BOTDR实验平台奠定了理论基础。其次设计了一款基于ODFS的ODFS-BOTDR的实验平台搭建方案,本平台由五个模块构成,分别是光源模块、光脉冲调制模块、入射光功率可调模块、外差检测模块、光域移频模块。分析各个模块的技术指标,并详细介绍了各个模块的关键器件选择方案和详细参数为后续搭建ODFS-BOTDR提供了理论依据和参考标准。然后,根据实验平台搭建方案搭建ODFS-BOTDR实验平台,通过实验探究并验证了光纤中的散射光与入射光功率之间的关系;针对本实验平台所使用的光纤及调制方式,提出了一种受激布里渊散射阈值测量方案,并通过实验探究影响受激布里渊散射阈值的因素;设计了一种基于ODFS的思路,并通过实验验证其正确性;理论分析光脉冲调制参数,设计光脉冲调制方案并调制出ODFS-BOTDR实验平台所需的脉冲信号;在本地信号路引入扰偏器,使其产生随机变化的偏振态,来消除由于偏振状态带来的不良影响,扰偏器的引入不仅可以解决偏振敏感问题,还可以使系统结构简单,降低成本。最后,调试ODFS-BOTDR实验平台各器件,使其达到最佳工作状态,通过示波器采集自发布里渊散射信号,并对采集到信号进行数字信号处理,验证了实验平台的可行性,为后续对待测光纤进行温度和应变的双参传感研究奠定了坚实的基础。
【图文】：

．Ｐ逦：逡逑探测和信号处理逡逑图１－１邋ＢＯＣＤＡ基本原理逡逑ＢＯＦＤＡ是基于布里渊光频域分析的ＤＯＦＳ。它的基本原理如图１－２所示。逡逑首先以调制频率／ｍ的正弦信号对泵浦光进行强度调制，被调制后的信号通过三逡逑端口环形器进入待测光纤，然后在待测光纤的末端射入中心频率为／－／Ｂ直流的逡逑探测光，其中探测光在注入待测光纤之前也被同频率的正弦波进行过频率调制，逡逑目的是为了使两束光具有相同的调制频率。被调制后的两束光在传输介质中传输逡逑时会在其中产生受激布里渊散射，通过在整条光纤上受激布里渊散射的过程，在逡逑环形器的３端口探测受激布里渊散射信号，探测端测量两个光源的输出功率，并逡逑用矢量分析仪对探测到的信号输出强度进行处理。得到受激布里渊散射信号的频逡逑移和功率，通过对频移和功率的分析，由于对于受激布里渊散射信号来说，频移逡逑与功率均和温度与应变呈线性关系，通过多次测量，寻找线性系数，即可实现对逡逑ｆｊｍ邋￣逦逡逑探测和信号处理逡逑矢量分析仪逡逑图１－２邋ＢＯＦＤＡ基本原理逡逑待测光纤分布式传感。逡逑ＢＯＣＤＲ是基于布里渊光相干域反射技术的ＤＯＦＳ。ＢＯＣＤＲ与ＢＯＴＤＲ实逡逑验原理类似

探测和信号处理逡逑图１－１邋ＢＯＣＤＡ基本原理逡逑ＢＯＦＤＡ是基于布里渊光频域分析的ＤＯＦＳ。它的基本原理如图１－２所示。逡逑首先以调制频率／ｍ的正弦信号对泵浦光进行强度调制，被调制后的信号通过三逡逑端口环形器进入待测光纤，然后在待测光纤的末端射入中心频率为／－／Ｂ直流的逡逑探测光，其中探测光在注入待测光纤之前也被同频率的正弦波进行过频率调制，逡逑目的是为了使两束光具有相同的调制频率。被调制后的两束光在传输介质中传输逡逑时会在其中产生受激布里渊散射，通过在整条光纤上受激布里渊散射的过程，在逡逑环形器的３端口探测受激布里渊散射信号，探测端测量两个光源的输出功率，并逡逑用矢量分析仪对探测到的信号输出强度进行处理。得到受激布里渊散射信号的频逡逑移和功率，通过对频移和功率的分析，由于对于受激布里渊散射信号来说，，频移逡逑与功率均和温度与应变呈线性关系，通过多次测量，寻找线性系数，即可实现对逡逑ｆｊｍ邋￣逦逡逑探测和信号处理逡逑矢量分析仪逡逑图１－２邋ＢＯＦＤＡ基本原理逡逑待测光纤分布式传感。逡逑ＢＯＣＤＲ是基于布里渊光相干域反射技术的ＤＯＦＳ。ＢＯＣＤＲ与ＢＯＴＤＲ实逡逑验原理类似
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN253

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本文编号：2613618