基于脉冲调制的分布式振动传感技术研究

发布时间：2022-02-18 18:17

　　分布式光纤传感（Distributed Optical Fiber Sensing,DOFS）技术因其高集成度、多参量敏感、适应恶劣环境等诸多应用优势已成为近年来研究热点。特别是能实现振动、声波及应变/温度测量的相位敏感型光时域反射仪（Phase-sensitive Optical Time Domain Reflectometer,φ-OTDR）正在周界安防及大型结构的故障检测等领域发挥着越来越重要的作用。这种技术在敏感度、响应速度、稳定性等方面的性能可与以布拉格光栅为代表的准分布式传感系统相媲美,具有广阔的发展前景。但是目前基于φ-OTDR的分布式振动传感（Distributed Vibration Sensing,DVS）仍存在诸多问题和挑战,限制了其在更多领域的推广与应用。如实现宽频振动测量的系统需要较大调制和解调带宽,结构复杂且成本高;实现长距离传感的系统采用双端注入的分布式光放大,噪声大难以进行准确的相位解调;多参数传感系统未兼顾动态振动和静态应变/温度的测量等。本文针对以上问题,提出了加性随机脉冲间隔调制、多载波非线性调频、高斯脉冲调制等多种光脉冲调制方法,进一步优化了φ... 

【文章来源】：重庆大学重庆市211工程院校985工程院校教育部直属院校

【文章页数】：142 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
中文摘要
英文摘要
1 绪论
    1.1 研究背景
    1.2 光纤分布式振动传感技术研究现状
        1.2.1 光纤分布式宽频振动传感技术
        1.2.2 长距离光纤分布式振动传感技术
        1.2.3 光纤分布式振动传感的相位解调技术
        1.2.4 高空间分辨率的光纤分布式振动传感技术
        1.2.5 抗衰落光纤分布式振动传感技术
    1.3 光纤分布式多参数传感技术研究现状
        1.3.1 基于单散射机制的温度、应变传感
        1.3.2 基于多散射融合的多参数传感
    1.4 本文的研究意义和内容
2 基于瑞利及布里渊散射的分布式传感理论基础
    2.1 基于瑞利散射的分布式振动传感理论模型
    2.2 基于布里渊散射的分布式应变、温度传感理论模型
    2.3 光纤分布式传感中的非线性效应
        2.3.1 自相位调制对散射光频率的影响
        2.3.2 四波混频产生的频率边带
        2.3.3 调制不稳定的临界功率
        2.3.4 受激布里渊散射和受激拉曼散射的临界功率
    2.4 分布式传感系统的光探测结构
        2.4.1 分布式传感系统中的光探测结构对比
        2.4.2 相干探测原理及特性
    2.5 本章小结
3 基于加性随机采样的宽频响分布式振动传感
    3.1 分布式传感中的采样理论
        3.1.1 均匀采样与频谱混叠
        3.1.2 非均匀采样及其分类
        3.1.3 加性随机采样的功率谱密度
    3.2 基于加性随机采样的分布式振动传感仿真实验
        3.2.1 采样数据的功率谱密度
        3.2.2 加性随机采样的参数优化
        3.2.3 加性随机采样的重构
    3.3 加性随机采样的实验验证
    3.4 基于加性随机采样的分布式振动传感实验
        3.4.1 短距离光纤上的分布式振动传感实验
        3.4.2 长距离光纤上的分布式振动传感实验
    3.5 本章小结
4 基于多载波非线性调频脉冲的长距离分布式振动传感
    4.1 分布式振动传感调频脉冲压缩理论
        4.1.1 匹配滤波器与模糊函数
        4.1.2 线性调频脉冲的传感特性
    4.2 多载波非线性调频光脉冲的产生
        4.2.1 非线性调频脉冲的旁瓣抑制比
        4.2.2 电光调制产生多载波信号
        4.2.3 多载波非线性调频光脉冲的矫正
    4.3 基于多载波非线性调频脉冲的分布式振动传感实验
        4.3.1 传感距离及信噪比
        4.3.2 振动传感实验及分析
    4.4 本章小结
5 基于高斯脉冲调制的高空间分辨率多参数分布式传感
    5.1 基于高斯脉冲调制的多参数传感原理
        5.1.1 φ/B-OTDR泵浦脉冲光调制
        5.1.2 本振布里渊激光器
        5.1.3 基于高斯加窗的高空间分辨率时频分析原理
    5.2 基于高斯脉冲调制的多参数传感实验
        5.2.1 实验装置
        5.2.2 振动传感实验
        5.2.3 温度与应变传感实验
    5.3 基于调制脉冲的多参数传感仪器应用
    5.4 本章小结
6 全文总结与展望
    6.1 内容总结
    6.2 论文创新点
    6.3 论文不足及进一步研究展望
致谢
参考文献
附录
    A.作者在攻读博士学位期间发表的论文目录
    B.作者在攻读博士学位期间取得的科研成果目录


【参考文献】：
期刊论文
[1]Phase-Sensitive Optical Time-Domain Reflectometer Based on a 120°-Phase-Difference Michelson Interferometer[J]. 曹玉龙,杨飞,徐丹,叶青,蔡海文,方祖捷.  Chinese Physics Letters. 2016(05)
[2]Research on stimulated Brillouin scattering suppression based on multi-frequency phase modulation[J]. 刘英繁,吕志伟,董永康,李强.  Chinese Optics Letters. 2009(01)
[3]A new demodulation technique for optical fiber interferometric sensors with[3×3]directional couplers[J]. 刘亭亭,崔杰,陈德胜,肖灵,孙德兴.  Chinese Optics Letters. 2008(01)



本文编号：3631317