相位提取型Φ-OTDR振动探测系统相干衰落噪声抑制技术
发布时间：2021-09-29 09:36
相位敏感光时域反射仪（phase sensitive optical time domain reflectometry,Φ-OTDR）根据传感原理可分为直接探测型与相位提取型。直接探测型Φ-OTDR以瑞利信号强度为探测对象,由于瑞利信号强度变化与振动信号幅度变化存在非线性关系,导致系统无法真实还原振动信号信息。相位提取型Φ-OTDR通过探测瑞利信号相位变化实现振动探测,瑞利信号相位变化幅度与振动信号幅度变化成正比,故相位提取型Φ-OTDR更受到人们的青睐。相位提取型Φ-OTDR采用窄线宽光源,在具备极高振动探测灵敏度的同时也引入相干衰落噪声。相干衰落噪声不仅恶化系统振动探测信噪比,还可能导致探测故障。本论文针对相干衰落噪声对分布式振动探测的影响,开展相干衰落噪声抑制技术研究。论文主要研究内容包括:首先,搭建相位提取型Φ-OTDR,实现分布式振动测量;其次,改进用于描述瑞利信号强度的一维脉冲模型,并基于模型对瑞利信号强度的波长相关性开展研究,提出基于多波长光脉冲与基于光源强度调制的相位提取型Φ-OTDR两套相干衰落噪声抑制技术;最后,利用瑞利信号强度的偏振相关性,提出基于正交偏振光脉冲...
【文章来源】：国防科技大学湖南省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1.2分布式振动测量系统原理图[5]
国防科技大学研究生院硕士学位论文第13页第二章相位提取型-OTDR分布式振动测量技术研究-OTDR按照信号处理方式可分为直接探测型与相位提取型。直接探测型-OTDR以瑞利信号强度为探测对象，瑞利信号强度变化幅度与外界振动信号变化幅度存在非线性关系[13]，且直接探测型-OTDR对微弱振动信号探测灵敏度较低。相位提取型-OTDR结合信号调制解调技术克服了直接探测型-OTDR的上述缺点，成为时下传感领域的研究热点。本章基于一维脉冲干涉模型对相位提取型-OTDR的传感机理展开理论分析，同时对本课题采用的PGC算法进行扼要介绍。在分析影响相位提取型-OTDR实验系统参数设置的多个因素的基础上，搭建基于PGC算法的相位提取型-OTDR，进行分布式振动探测实验，以检测该系统分布式振动探测性能。讨论相干衰落噪声对相位提取型-OTDR振动探测信噪比的影响，为进一步研究相位提取型-OTDR相干衰落噪声抑制技术奠定理论与实验基矗2.1相位提取型-OTDR基本工作原理相位提取型-OTDR采用kHz量级的窄线宽激光器作为探测光源，所产生的后向瑞利散射光相干长度长达数十千米[33-35]。由于瑞利散射光具有高相干度，在探测脉冲覆盖光纤区域内数量庞大的瑞利散射点产生的瑞利散射光发生多光束干涉，其干涉信号即作为相位提取型-OTDR振动信号传播载体的瑞利信号[36-42]。以下基于一维脉冲模型对相位提取型-OTDR传感机理进行介绍。图2.1-OTDR传感模型示意图如图2.1所示，脉冲宽度为W、峰值功率相等、距离相差2L的探测脉冲10E与20E经环形器(Circulator,CIR)注入传感光纤。探测脉冲的电场形式分别为002100jtzEAe(2.1)
国防科技大学研究生院硕士学位论文第15页2.2PGC相位解调原理为从瑞利信号中提取振动相位信息，本论文采用PGC算法。PGC算法具有动态范围大的优点，在光纤干涉型探测系统中，PGC算法的运用还可以解决初始相位漂移带来的噪声[45][46]。以下基于一维脉冲干涉模型，对基于PGC算法的-OTDR工作原理进行介绍。图2.2基于PGC算法的-OTDR原理示意图如图2.2所示，探测脉冲经50:50耦合器(Opticalcoupler,OC)注入臂长差为L的迈克逊干涉仪(Michelsoninterferometer,MI)，进入长臂一侧的探测脉冲由压电陶瓷环(Piezoelectrictransducer,PZT)施加频率为f0的正弦相位调制。干涉仪输出为一对峰值功率、脉宽相等，距离相距2L的错位探测脉冲。探测脉冲经CIR注入传感光纤(FUT)，探测脉冲在光纤传播产生的瑞利散射光到达PD并发生干涉。由式2.5与式2.6可知，散射光干涉形成的瑞利信号的强度表达式为0Iz,tABcosCcos2ftt(2.7)式中A为瑞利信号直流项，B为瑞利信号交流项幅度值，C为PGC调制深度，f为PGC调制频率；0tt，t为加载于两探测脉冲光纤区域间的振动信号对瑞利信号施加的相位调制，0为瑞利信号的初始相位。图2.3DCM算法流程图
【参考文献】：
期刊论文
[1]相位敏感型光时域反射传感系统光学背景噪声的产生机理及其抑制方法[J]. 张旭苹,张益昕,王峰,单媛媛,孙振鉷,胡燕祝. 物理学报. 2017(07)
[2]基于多频率综合鉴别φ-OTDR系统中干涉衰落假信号的相位解调技术[J]. 周俊,潘政清,叶青,蔡海文,赵浩,瞿荣辉,方祖捷. 中国激光. 2013(09)
[3]相位光时域反射计瑞利散射波形特性研究[J]. 吕月兰,行永伟. 光学学报. 2011(08)
博士论文
[1]基于φ-OTDR的光纤分布式宽频振动传感技术研究[D]. 何茜.重庆大学 2015
[2]远程干涉型光纤传感系统非线性效应影响及其抑制技术研究[D]. 陈伟.国防科学技术大学 2013
[3]光纤水听器系统噪声分析及抑制技术研究[D]. 梁迅.国防科学技术大学 2008
硕士论文
[1]基于（？）-OTDR的分布式振动传感技术偏振特性研究[D]. 余志杰.国防科技大学 2017
[2]大规模光纤水听器阵列光学外差及时分复用技术研究[D]. 张楠.国防科学技术大学 2007
本文编号：3413488
【文章来源】：国防科技大学湖南省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1.2分布式振动测量系统原理图[5]
国防科技大学研究生院硕士学位论文第13页第二章相位提取型-OTDR分布式振动测量技术研究-OTDR按照信号处理方式可分为直接探测型与相位提取型。直接探测型-OTDR以瑞利信号强度为探测对象，瑞利信号强度变化幅度与外界振动信号变化幅度存在非线性关系[13]，且直接探测型-OTDR对微弱振动信号探测灵敏度较低。相位提取型-OTDR结合信号调制解调技术克服了直接探测型-OTDR的上述缺点，成为时下传感领域的研究热点。本章基于一维脉冲干涉模型对相位提取型-OTDR的传感机理展开理论分析，同时对本课题采用的PGC算法进行扼要介绍。在分析影响相位提取型-OTDR实验系统参数设置的多个因素的基础上，搭建基于PGC算法的相位提取型-OTDR，进行分布式振动探测实验，以检测该系统分布式振动探测性能。讨论相干衰落噪声对相位提取型-OTDR振动探测信噪比的影响，为进一步研究相位提取型-OTDR相干衰落噪声抑制技术奠定理论与实验基矗2.1相位提取型-OTDR基本工作原理相位提取型-OTDR采用kHz量级的窄线宽激光器作为探测光源，所产生的后向瑞利散射光相干长度长达数十千米[33-35]。由于瑞利散射光具有高相干度，在探测脉冲覆盖光纤区域内数量庞大的瑞利散射点产生的瑞利散射光发生多光束干涉，其干涉信号即作为相位提取型-OTDR振动信号传播载体的瑞利信号[36-42]。以下基于一维脉冲模型对相位提取型-OTDR传感机理进行介绍。图2.1-OTDR传感模型示意图如图2.1所示，脉冲宽度为W、峰值功率相等、距离相差2L的探测脉冲10E与20E经环形器(Circulator,CIR)注入传感光纤。探测脉冲的电场形式分别为002100jtzEAe(2.1)
国防科技大学研究生院硕士学位论文第15页2.2PGC相位解调原理为从瑞利信号中提取振动相位信息，本论文采用PGC算法。PGC算法具有动态范围大的优点，在光纤干涉型探测系统中，PGC算法的运用还可以解决初始相位漂移带来的噪声[45][46]。以下基于一维脉冲干涉模型，对基于PGC算法的-OTDR工作原理进行介绍。图2.2基于PGC算法的-OTDR原理示意图如图2.2所示，探测脉冲经50:50耦合器(Opticalcoupler,OC)注入臂长差为L的迈克逊干涉仪(Michelsoninterferometer,MI)，进入长臂一侧的探测脉冲由压电陶瓷环(Piezoelectrictransducer,PZT)施加频率为f0的正弦相位调制。干涉仪输出为一对峰值功率、脉宽相等，距离相距2L的错位探测脉冲。探测脉冲经CIR注入传感光纤(FUT)，探测脉冲在光纤传播产生的瑞利散射光到达PD并发生干涉。由式2.5与式2.6可知，散射光干涉形成的瑞利信号的强度表达式为0Iz,tABcosCcos2ftt(2.7)式中A为瑞利信号直流项，B为瑞利信号交流项幅度值，C为PGC调制深度，f为PGC调制频率；0tt，t为加载于两探测脉冲光纤区域间的振动信号对瑞利信号施加的相位调制，0为瑞利信号的初始相位。图2.3DCM算法流程图
【参考文献】：
期刊论文
[1]相位敏感型光时域反射传感系统光学背景噪声的产生机理及其抑制方法[J]. 张旭苹,张益昕,王峰,单媛媛,孙振鉷,胡燕祝. 物理学报. 2017(07)
[2]基于多频率综合鉴别φ-OTDR系统中干涉衰落假信号的相位解调技术[J]. 周俊,潘政清,叶青,蔡海文,赵浩,瞿荣辉,方祖捷. 中国激光. 2013(09)
[3]相位光时域反射计瑞利散射波形特性研究[J]. 吕月兰,行永伟. 光学学报. 2011(08)
博士论文
[1]基于φ-OTDR的光纤分布式宽频振动传感技术研究[D]. 何茜.重庆大学 2015
[2]远程干涉型光纤传感系统非线性效应影响及其抑制技术研究[D]. 陈伟.国防科学技术大学 2013
[3]光纤水听器系统噪声分析及抑制技术研究[D]. 梁迅.国防科学技术大学 2008
硕士论文
[1]基于（？）-OTDR的分布式振动传感技术偏振特性研究[D]. 余志杰.国防科技大学 2017
[2]大规模光纤水听器阵列光学外差及时分复用技术研究[D]. 张楠.国防科学技术大学 2007
本文编号：3413488
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