基于时分复用技术的光纤分布式宽频声波传感技术研究
发布时间：2021-06-18 20:00
分布式光纤声波传感系统具有灵敏度高、测量点多、能够实现分布式传感的优势,在重大基础设施健康检测、油气勘探、周界安防等领域具有重要应用价值。但分布式光纤传感系统中存在传感距离和响应带宽相互制约的问题,随着系统传感距离的增加,频率响应带宽随之降低,从而限制了它在高频振动信号探测领域中的应用。为了解决这一问题,本文主要工作如下:针对分布式光纤传感系统中传感距离和响应带宽之间的矛盾,本文首先提出了一种“基于时分复用技术的分布式声波传感宽频响应系统”。系统采用多波长窄线宽激光器、WDM、环形器以及延迟光纤,实现了两段1.04km传感光纤的结合,使得两段传感光纤上的光信号在时域上先后到达光电探测器形成时分复用。系统采用80kHz光脉冲重复频率,采样率为120MSa/s的采集卡进行同步采集,在2.08km传感光纤上实现了40kHz振动信号的有效探测,且信噪比较高。与传统φ-OTDR系统相比,该系统有效探测频率范围从理论上提升为原来的两倍。此外,为验证“基于时分复用技术的分布式声波传感宽频响应系统”对气体管道泄漏信号的响应特性。本文设计了一种“气体管道泄漏模...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
准分布式测量系统原理图
第一章绪论31997年美国A.R.Davis等人[7]提出了一种波分复用和时分复用相结合的技术将FBG阵列用于水听器进行声波探测，该探测系统总共复用了256个传感器，并实现了100km传感光纤上最大6kHz频率的信号探测。之后，S.P.Christmas等人[8]又提出一种采用宽带光源、可调谐声光滤波器、马赫-曾德光纤干涉仪对FBG信号进行解调的系统，该系统最多可实现64个FBG的复用，并且该系统可探测的最高振动频率达10kHz。1.2.2基于干涉原理的DOFS常见的基于干涉原理的DOFS系统包括：基于Sagnac干涉仪的DOFS、基于Michelson干涉仪的DOFS和基于Mach-Zenher干涉仪的DOFS系统[9]。1.2.2.1基于SI的DOFS系统Sagnac干涉仪的结构如图1-2所示，探测光通过激光器输出后，经过一个耦合器进行分束，将该探测光分为传输方向相反的两束光在传感光纤中传输，并最终回到耦合器处形成干涉。当外界扰动信号作用于传感光纤的某一位置时，传感光纤中传输的两束光波的相位发生变化，且其差分相位与光纤所受扰动呈线性关系，因此，通过对两束光波的相位差进行检测可以还原外界扰动。图1-2Sagnac干涉仪结构图1987年，J.P.Dakin等人提出了一种基于SI的振动探测系统，成功定位了一个在200m传感光纤上的单频振动信号[10]。1996年，X.Fang等人提出了一种在Sagnac环中添加一个Sagnac子环来实现分布式振动探测系统，系统采用180m长的保偏光纤实现对振动信号位置和幅度的探测[11]。随后S.J.Russell等人又提出了一种基于波分复用技术的Sagnac双干涉环分布式振动探测系统[12]，实现了长距离上空间分辨率为100m的探测。探测器激光器耦合器信号处理传感光纤扰动信号
电子科技大学硕士学位论文42002年，Hoffman等人利用基于SI的分布式声波探测系统实现了对外界突发声波信号的探测，突发声波信号是由一个10ns的电脉冲形成并作用于传感光纤上，采用快速傅里叶变换对采集到的干涉光信号进行分析实现对外界突发声波信号的定位[13-15]。如图1-3为该系统原理图。图1-3基于SI的分布式声波探测系统原理图两束光束反向传播后，探测器探测到的功率为：01cos2PP(1-1)式中，CWCCW，CW、CCW分别为沿光纤环路顺时针和逆时针传播过程中引起的相移。其中，0P为入射到耦合器的功率。假设受声波信号影响的区域远小于干涉仪的总长度，则相移可以表示为：12=+tt(1-2)是声波信号作用于光纤上导致的时变相位，1、2分别代表两束光沿图1中R1、R2长度传播所需时间，且12RRL。将式1-2带入式1-1得：0121cos+2PPttt(1-3)如果作用在光纤上的单频振动信号引起的光相位变化为0=sinstwt，其中，t为某时刻由于光弹性效应而产生的光相位移动，0，sw为与扰动源和光纤特性相关的常量。假定0为一个微小常量，=/2，那么式1-4中的交流分量为：00cossin22acssswwPtPwt(1-4)式中，12=+，2112=nRR/c，当上式中：sin=0,,,2swN(1-5)
本文编号：3237295
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
准分布式测量系统原理图
第一章绪论31997年美国A.R.Davis等人[7]提出了一种波分复用和时分复用相结合的技术将FBG阵列用于水听器进行声波探测，该探测系统总共复用了256个传感器，并实现了100km传感光纤上最大6kHz频率的信号探测。之后，S.P.Christmas等人[8]又提出一种采用宽带光源、可调谐声光滤波器、马赫-曾德光纤干涉仪对FBG信号进行解调的系统，该系统最多可实现64个FBG的复用，并且该系统可探测的最高振动频率达10kHz。1.2.2基于干涉原理的DOFS常见的基于干涉原理的DOFS系统包括：基于Sagnac干涉仪的DOFS、基于Michelson干涉仪的DOFS和基于Mach-Zenher干涉仪的DOFS系统[9]。1.2.2.1基于SI的DOFS系统Sagnac干涉仪的结构如图1-2所示，探测光通过激光器输出后，经过一个耦合器进行分束，将该探测光分为传输方向相反的两束光在传感光纤中传输，并最终回到耦合器处形成干涉。当外界扰动信号作用于传感光纤的某一位置时，传感光纤中传输的两束光波的相位发生变化，且其差分相位与光纤所受扰动呈线性关系，因此，通过对两束光波的相位差进行检测可以还原外界扰动。图1-2Sagnac干涉仪结构图1987年，J.P.Dakin等人提出了一种基于SI的振动探测系统，成功定位了一个在200m传感光纤上的单频振动信号[10]。1996年，X.Fang等人提出了一种在Sagnac环中添加一个Sagnac子环来实现分布式振动探测系统，系统采用180m长的保偏光纤实现对振动信号位置和幅度的探测[11]。随后S.J.Russell等人又提出了一种基于波分复用技术的Sagnac双干涉环分布式振动探测系统[12]，实现了长距离上空间分辨率为100m的探测。探测器激光器耦合器信号处理传感光纤扰动信号
电子科技大学硕士学位论文42002年，Hoffman等人利用基于SI的分布式声波探测系统实现了对外界突发声波信号的探测，突发声波信号是由一个10ns的电脉冲形成并作用于传感光纤上，采用快速傅里叶变换对采集到的干涉光信号进行分析实现对外界突发声波信号的定位[13-15]。如图1-3为该系统原理图。图1-3基于SI的分布式声波探测系统原理图两束光束反向传播后，探测器探测到的功率为：01cos2PP(1-1)式中，CWCCW，CW、CCW分别为沿光纤环路顺时针和逆时针传播过程中引起的相移。其中，0P为入射到耦合器的功率。假设受声波信号影响的区域远小于干涉仪的总长度，则相移可以表示为：12=+tt(1-2)是声波信号作用于光纤上导致的时变相位，1、2分别代表两束光沿图1中R1、R2长度传播所需时间，且12RRL。将式1-2带入式1-1得：0121cos+2PPttt(1-3)如果作用在光纤上的单频振动信号引起的光相位变化为0=sinstwt，其中，t为某时刻由于光弹性效应而产生的光相位移动，0，sw为与扰动源和光纤特性相关的常量。假定0为一个微小常量，=/2，那么式1-4中的交流分量为：00cossin22acssswwPtPwt(1-4)式中，12=+，2112=nRR/c，当上式中：sin=0,,,2swN(1-5)
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