基于布里渊和瑞利散射的增敏型分布式光纤传感系统

发布时间：2018-12-13 01:59

【摘要】：分布式光纤传感技术由于其具有长距离、大范围、多参量传感、精度高的特点,被广泛的应用于大型土木工程、光纤通讯、电力工业等大范围、长距离、高危险领域的结构健康监测中。温度和振动作为静态参量和动态参量的两个典型参量,对于它们的分布式监测受到了广泛的关注。基于布里渊散射的光时域反射技术(BOTDR)和基于相干瑞利散射的相位敏感光时域反射技术(Φ-OTDR)是两种十分重要的光纤传感技术。BOTDR能够同时解调光纤沿路的温度和应变分布；Φ-OTDR可以实现对振动的多点分辨。这使得这两种技术受到了关注,他们应用于分布式传感方面的研究被广泛的报道,并且越来越成熟。但是这两项技术仍旧存在一定的局限性。BOTDR系统由于布里渊信号光十分微弱,温度测试精度和传感距离受到了限制。而在传统的Φ-OTDR系统中,光源的波长是固定的,此时产生的相干瑞利散射信号仅对振动敏感,所以系统的传感参数单一,且受限于脉冲重复周期,频率响应范围存在局限性。针对这些问题,本文的主要研究工作如下：1.为了获得高动态范围和高空间分辨率的分布式温度传感系统,设计了一种基于单光子探测技术的布里渊分布式温度传感系统。利用单光子探测技术,可以解决BOTDR中微弱光探测的问题。该系统利用瑞利散射光与布里渊反斯托斯克光强度的比值(RASR)对光纤沿线的温度进行测试。采用光纤光栅(FBG)滤波器串从背向散射光中提取出布里渊信号光。经过滤波器后,布里渊散射光相对于背向瑞利散射光具有23dB的抑制比。在对脉冲光不进行任何放大的前提下,该系统获得了18dB的动态范围(相当于90km的传感距离),温度测试误差小于1℃。此外,该系统能够同时获得1.2m的空间分辨率,2.28℃的温度测试误差和8.5dB的动态范围(相当于42.5km的传感距离)。2.为了能够使分布式传感系统能够同时对温度和振动敏感,设计了一种融合Φ-OTDR与FBG对的温度/振动同时传感系统。在这个系统中,FBG对的结构使得弱反射、具有高斯反射谱的FBG对能够像滤波器一般将温度造成FBG波长的改变变成反射光功率的变化。这种方式使得将组成FBG对的两个具有相同性质的弱反射FBG嵌入到传感光纤中,Φ-OTDR系统中的窄线宽激光器便可以用作FBG对的工作激光器。实验结果表明这个融合系统能够在20.4km的传感光纤上,以10m的空间分辨率实现了对81Hz扰动事件的测试,事件定位的信噪比达到了7.5dB。同时系统还能够实现多点温度的传感,温度测试精度达到了0.12℃。3.为了拓展基于Φ-OTDR的分布式振动传感系统的频率响应能力,提出了一种单端的融合马赫-泽德干涉仪(MZI)和Φ-OTDR的宽谱振动传感系统。在这个系统中,我们同时将不同频率的脉冲光和连续光注入到传感光纤中。在光纤末端,我们设计了一个频移反射镜(FSM)使得连续光能够反向传输回至光纤前端。这样将使得背向散射的瑞利散射光和反向传输的连续光都能够与本振光在光纤前端相干,从而构成了一个单端的传感系统。基于频分复用技术的原理,瑞利散射光和MZI获得的干涉信号能够通过不同中心频率的数字带通滤波器进行区分,因此Φ-OTDR和MZI可以毫无干扰的同时工作。实验结果表明该系统能够在6.35km的传感光纤上实现振动的定位,频率响应能够达到1.2MHz。这个单端的系统能够获得振动的定位以及具有较宽的频率响应范围,能够广泛的应用于基础通讯和交通的健康监测中。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212

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本文编号：2375666