长距离分布式光纤定位系统关键技术研究

发布时间：2020-11-06 19:47

　　 光纤传感是传感领域中安全性高、可靠性强、可规模化应用的新型安全监测技术。其中双M-Z长距离分布式光纤定位技术被广泛应用在油气管道、智能安防等领域。但随着光纤传感在实际系统中的广泛应用,光纤定位精度及响应速度等性能指标与日益严苛的现场环境及实际需求的矛盾愈发突出,主要表现在以下两个方面:其一,定位算法的实时性与复杂运算量对于整个系统的稳定性与可靠性具有严重挑战;其二,基于双M-Z的光纤传感系统的随机偏振衰弱问题会造成信号相关性变弱,进而导致系统定位不准确。针对上述问题本论文的研究工作将从以下三个方面展开研究:(1)提出了一种基于多均值周期的分布式光纤传感定位方法。考虑到实际计算机系统数据的交互与处理特性,本论文提出的基于多均值周期的分布式光纤传感定位方法能显著降低涉及入侵定位的互相关算法的运算次数,相较于传统的定位算法的运算量得到了明显的降低,提高了系统的定位算法的快速性。(2)提出了偏振态实时闭环反馈控制系统。首先针对双M-Z光纤传感系统中的偏振衰弱问题,定时调制光源模拟产生扰动,同时将双路光强信号作为偏振反馈输入量,并基于偏振控制寻优算法,利用电动偏振控制器产生四路压电陶瓷输出信号来挤压光纤来实现光纤偏振态的定时自动调节;其次,针对偏振控制快速寻优算法问题,利用基于模拟退火的粒子群优化的偏振态搜索算法,实现了快速寻优与偏振态恢复控制;最后,进行了系统实际测试,相关测试结果验证了算法的有效性。(3)设计了基于PCI-Express接口的高速采集卡。考虑到双路信号快速实时采集问题,提高系统定位精度以及解决偏振控制器的延时问题,利用FPGA开发技术设计了基于PCI-Express接口的高速采集卡,将前级数字信号处理以及对于实时性要求严苛的数据运算定制化到自制的板卡中,相关实际测试验证了板卡数据传输的稳定性和可靠性。本论文的工作有利于提高基于双M-Z的光纤传感长距离定位系统在实际工程应用中的定位精度与可靠性,对于现有以及未来的长距离定位系统具有一定的技术参考价值。
【学位单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP212
【部分图文】：

离分布式光纤传感定位系统的研究方面，早期主要是应用光时域反射??Ｒ），这种技术并不能够感测到光相位的变化，在此基础上，又提出了??时域反射技术［３］。随着科学技术水平的提高以及相应的检测技术的发??现ＯＴＤＲ在应用过程中不适合长距离分布式光纤传感。随后又提出了??涉原理的分布式光纤传感系统，这种方案在应用过程中具有很高的灵??精度可以达到很高，在入侵扰动方面的实时性较好，可以进行快速的??些干涉型光纤传感技术中双Ｍ－Ｚ千涉仪在其中取得了广泛的应用。光??作为一种新型的传感技术，近几十年来，国内外相关行业的专家与研??投入了大量的精力去研宄，其中光纤本身的制造工艺在发展过程中逐??整个行业的发展起到了巨大的推动作用。??光纤传感器的传感原理是通过外界的扰动对光纤中光波的相位产生影??测光的相位变化来获得两路光的光程差［２］，计算扰动位置。常用的长距??位技术的光路结构主要分为以下几种：??Ｓａｇｎａｃ干涉仪??

?Ｄ２??图１－２双Ｓａｇｎａｃ干涉仪传感器结构图??Ｆｉｇ．?１?－２?Ｄｕａｌ?ｓａｇｎａｃ?ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ?ｓｅｎｓｏｒ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ??如图１－２所示，双Ｓａｇｎａｃ干涉仪采用了两个激光源Ｍｌ、Ｍ２，其中Ｎｌ、Ｎ２、??Ｎ３、Ｎ４是复用器，共同构成了两个互相独立的不同波长的干涉仪。??实现定位的方法在于计算两个输出之间的信号比值，这种定位方法比较简单，??但是缺点在于其中的传感光纤的长度远小于另一段延迟光纤。所以在实际的系统??中受到了限制，而且其需要屏蔽光纤，在技术上需要的条件过于复杂。??（３?）双?Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ?干涉仪??传统的单Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ干涉仪结构是两个串联的光纤稱合器，激光源从源头??输入经过１：１光耦合器分成了两束光，两束光的光强相等，其分别经过传感光缆和??参考光缆之后在光路的另一端进行干涉，将光的相位信息转换为光强信息。光探??测器经过光电转换将光信号转换为电信号

图１－２双Ｓａｇｎａｃ干涉仪传感器结构图??Ｆｉｇ．?１?－２?Ｄｕａｌ?ｓａｇｎａｃ?ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ?ｓｅｎｓｏｒ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ??如图１－２所示，双Ｓａｇｎａｃ干涉仪采用了两个激光源Ｍｌ、Ｍ２，其中Ｎｌ、Ｎ２、??Ｎ３、Ｎ４是复用器，共同构成了两个互相独立的不同波长的干涉仪。??实现定位的方法在于计算两个输出之间的信号比值，这种定位方法比较简单，??但是缺点在于其中的传感光纤的长度远小于另一段延迟光纤。所以在实际的系统??中受到了限制，而且其需要屏蔽光纤，在技术上需要的条件过于复杂。??（３?）双?Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ?干涉仪??传统的单Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ干涉仪结构是两个串联的光纤稱合器，激光源从源头??输入经过１：１光耦合器分成了两束光，两束光的光强相等，其分别经过传感光缆和??参考光缆之后在光路的另一端进行干涉，将光的相位信息转换为光强信息。光探??测器经过光电转换将光信号转换为电信号，之后进行数字信号处理得到入侵信息，??然后进行预警。这种结构其对入侵信号敏感
【参考文献】

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本文编号：2873585