微结构光纤准分布式传感的信号解调技术研究

发布时间：2020-05-07 05:21

【摘要】：光纤传感技术是光纤通信技术的一个重要应用分支,光纤传感器凭借其轻质、紧凑、无缘、耐腐蚀、抗电磁干扰、易于组网等显著优势,已被广泛应用于航空航天、重大工程设施、国防安全、生物医疗、资源勘探、灾害监测等领域。近年来,为满足大范围多点检测的应用需求,分布式光纤传感技术应运而生。面向长距离、大容量、高精度、快响应的发展趋势,广大科研工作者从传感新机理入手,结合新制备工艺及新解调算法,推动分布式光纤传感技术的功能革新,进而拓展更为广阔的应用前景。本论文立足于光纤传感的技术特点,面向光纤准分布式传感技术的应用需求,对光纤准分布式传感机理、大容量复用特性、高性能探测方法、低成本应用平台、高精度解调算法等方面进行了深入研究,设计出具备不同优点的准分布式传感系统,满足面向性能和成本的应用需求,并具备良好的扩展性,主要研究成果如下:(1)光纤微结构单元光学机理和制备:基于耦合模理论和传输矩阵理论对光纤布拉格光栅传感器的形成机理进行了分析,将光纤长度、折射率、光栅周期和光纤调制深度对光谱的影响进行仿真研究,研究光纤光栅传感器的温度和应力传感特性。分析弱光栅法布里-珀罗光纤微结构传感单元的光学特性,对其光谱进行了分析,并将传感参量和腔长对光程差的影响进行了研究和仿真。最后提出了光纤微结构传感单元的概念和基于微结构的光时域反射(M-OTDR)技术,并阐述了光纤微结构单元的连续制备方法,从而为传感器的大规模复用组网提供技术基础。(2)光纤微结构复用:针对主流的时分复用、波分复用和频分复用等多种传感器复用方式分别进行了分析,传感器复用能有效提升准分布式光纤传感的规模,降低单个传感器的采集成本。对每种复用模式提出传感调制解调方案,时分复用的局限性在于对反射率要求高,多径串扰带来信号的重叠;波分复用规模严重受制于光源及系统带宽;频分复用对解调系统的精度要求高。提出了基于微结构传感单元的多域复用,通过对微结构光纤时分/波分/频分三维编码,实现传感单元数量的指数上升,多域复用也带来光谱复杂性的明显提高,对解调系统的精度、速度和成本也提出更高的要求。(3)多域并行快速高精度解调技术:根据多域复用系统的高速及高精度解调要求,提出基于扫描滤波器的多域并行快速解调算法。分析法布里-珀罗扫描滤波器采样机理和控制逻辑,选用高速高精度扫描滤波器,提出分段并行解调算法。针对系统的复用容量、解调速度和解调精度进行了分析,理论上最高可以实现8000个单元的复用解调。最后,基于NI5781平台完成了解调系统的搭建,并应用于波分/频分二维复用微结构光纤传感网络进行了实验测试,最终通过温度实验验证了3pm的波长检测精度和±0.4°C的温度检测精度,通过振动实验验证了500Hz的解调速度。证明该方法的高速、高精度解调性能,随着器件升级和解调算法更新,系统的复用容量、解调速度、解调精度等性能指标还有望进一步提升。(4)基于解析模态分解法的大容量高精度解调:针对超大容量光纤微结构准分布式传感的高精度解调需求,提出并实现了基于解析模态分解法的高密度频分复用传感网的信号解调方法。通过对解析模态分解法的理论分析,建立了微结构传感单元的频分复用解调方法,并对其进行了仿真分析。对比了快速傅里叶变换法、小波变换法、解析模态分解法等三种方法的解调效果,发现相比于快速傅里叶变换法方法,解析模态分解法能够实现复用容量提升5倍以上,信号解调还原度能够提升至少90倍以上。最后,通过分布式应力实验证明了解析模态分析法的扩容能力和高精度探测能力。该方法不涉及硬件升级带来的成本增加,仅通过算法有效提升传感网复用容量。(5)基于铟镓砷探测器的低成本快速解调技术:针对微结构光纤准分布式传感的低成本解调需求,深入分析了基于铟镓砷探测器的解调机理,通过相位光栅分光和铟镓砷探测器的光谱分辨能力,实现多光谱波长信息的读取。随后设计了波分/频分/时分多维复用系统,采用基于铟镓砷探测器的波长解调模块进行了温度传感实验,实验结果证明基于铟镓砷的解调系统可以实现信号准确恢复,线性度达到0.999以上。基于铟镓砷探测器的解调系统具有成本低、结构紧凑等优点,而且随着铟镓砷器件的速度和像素随着技术的发展都可以得到大幅度的提升,能有效的继续提高探测精度和系统复用容量,并最终降低单个传感单元解调成本。
【图文】：

分布式光纤传感器,工作原理

并着重对几类传感解调方法进行了综述，最后介绍本论文的主要工作。2 分布式与准分布式光纤传感器.1 光纤全分布式传感器光纤分布式传感器可以对光纤任意一点的温度、应变和振动进行实时测量，提供纤连续分布的物理量变化情况[34]。因此光纤分布式传感器被广泛应用于地震预测型基础设施健康监测等大范围物理场测量领域[36]。现有的光纤分布式传感器主要是各种光时域反射仪（Optical Time Domain Reflectomete，OTDR），这些技术实现原图 1-1 所示，，通过将光脉冲注入到光纤中，利用光脉冲信号的后向散射光在光纤中输时间和散射光光性能参数随外界环境参量变化的关系，实现对光纤沿线待测环境的分布式检测[16]。分布式光纤传感技术具有无源感知、连续长距离传感、抗电磁干同时进行传输和传感等特殊优势。根据后向散射光的不同，分布式光纤传感器可以相干 OTDR（C-OTDR），布里渊 OTDR（B-OTDR）和拉曼 OTDR（R-OTDR）。环形器

分布式传感器,瑞利散射

华中科技大学博士学位论文1.2.1.1 瑞利散射光纤中的瑞利散射主要来源于制备过程中光纤折射率的局部突变，这些引起后向散射的离散散射体沿着光纤均匀分布[37]。OTDR 就是利用瑞利散射光进行传感定位和信息提取[38]。不同于主要用于光纤损耗和断点检测的传统非相干 OTDR[39]，基于瑞利散射的分布式传感器主要采用相干光对光纤进行探测，所以也被称为相干 OTDR（C-OTDR）[40]，随着施加的温度或者应变的变化，光脉冲在光纤散射体之间的传输时间关系发生了变化，从而引起散射脉冲光的相位发生发变化。通过检测散射光强的相位信息，可以提取沿光纤分布的温度与应变信息[41,42,43]。2017 年，德国联邦材料研究与测试研究所的 Sascha Lieher，报道了一种采用双波长相干 OTDR 的物理量相对变化测量系统，其系统原理图如图 1-2 所示[44]。分布式反馈激光器掺铒光纤放大器光放大器环形器待测光纤
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN911.3;TP212

【参考文献】