融合弱光栅的改进型瑞利分布式光纤传感系统

发布时间：2017-05-12 11:13

  本文关键词：融合弱光栅的改进型瑞利分布式光纤传感系统，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：基于瑞利散射的分布式光纤传感系统可对光纤沿线的振动、压力以及传输损耗等参量进行长距离连续的测量,可应用于通信线缆损耗监测、桥梁、大坝等大型建筑的健康监测、石油管道及海底光缆等大范围、长距离设施的健康监测等领域。基于瑞利散射的分布式光纤传感系统相比基于布里渊和拉曼散射的分布式光纤传感系统,在传感机理和信号检测方式上更为简单,因此基于瑞利散射的分布式光纤传感系统在传感距离、灵敏度和响应速度上具有相对较大的优势。然而由于单模光纤的瑞利散射非常弱,从根源上影响了基于瑞利散射的分布式光纤传感系统的信噪比,限制了系统的传感距离和灵敏度；另外基于瑞利散射的分布式光纤传感技术在传感功能上相对单一,无法对温度及应变等参量进行准确地测量,限制了其应用范围。基于光纤光栅的传感系统具有相对较高的信噪比,传感功能也更加丰富,但是由于其响应速度较慢,较难实现对高频振动以及多点振动的测量；另外基于光纤光栅的传感系统亦无法实现全分布式的传感以满足实际应用的需求。因此融合光纤光栅与基于瑞利散射的分布式光纤传感系统,实现信噪比更高与功能更加丰富的分布式光纤传感系统更能满足实际应用的需求。为此本文在研究瑞利分布式光纤传感系统优缺点以及应用需求的基础上,设计和制作了能够用来提升基于瑞利散射的分布式光纤传感系统信噪比和功能的弱反射光纤光栅；进而提出融合弱反射光纤光栅的信噪比增强型瑞利散射分布式光纤传感系统的方案；另外融合瑞利散射的分布式光纤传感和光纤光栅的准分布式传感特性,提出功能增强型的全分布式光纤传感系统方案。本论文的主要工作如下：1)利用模式耦合方程,分别分析了布拉格光纤光栅反射谱和长周期光纤光栅透射谱特性,并利用数值仿真的方法分析了光纤光栅反射率、中心波长以及谱宽与紫外曝光强度、光栅长度等刻制条件之间的关系,为刻制适合与分布式光纤传感系统相融合的弱反射和长周期光纤光栅提供理论基础；研究了弱反射和长周期光纤光栅的刻制系统结构和刻制步骤,并对刻制的弱反射和长周期光纤光栅相关参数进行了测量和分析。2)提出了一种基于宽谱弱反射光纤光栅和偏振光时域反射技术(POTDR)的分布式振动传感系统,提升了POTDR系统的信噪比和振动测量的灵敏度。通过数值仿真的方法,分析了脉冲宽度与光栅间隔对系统信噪比提升的影响,并在此基础上提出通过匹配脉冲宽度与光栅间隔实现对POTDR系统信噪比连续均匀的提升。另外利用数值仿真的方法,对本方案中弱反射光纤光栅的集成容量进行了分析,结果表明当光栅的反射率为10-5时,系统最多可集成4472个弱反射光纤光栅。实验中利用反射率为1.1×10、谱宽为8nm的弱反射光纤光栅,将POTDR系统的信噪比提升了11 dB,压力及振动测量灵敏度分别被提升了10.7 dB和9 dB。3)提出了一种结合窄谱弱反射光纤光栅、长周期光纤光栅以及光时域反射技术(OTDR)的多功能型光纤传感系统。多个窄谱弱反射光纤光栅可被放置在所需部位对温度、应变进行准分布式测量,长周期光纤光栅被作为线性滤波器将窄谱弱反射光纤光栅中心波长的变化转换为功率的变化,实现快速的温度、应变解调,测量灵敏度分别达到了5.9×10-3/℃和4.2×10-4/με；同时在光纤光栅位置上实现了振动尤其是多点振动的准分布式测量,实现了对动静态事件的同时测量；在非光纤光栅位置上,利用背向瑞利散射光实现对弯曲等静态事件的分布式传感,进而实现分布式及重点部位监测的多功能传感；因此本方案极大拓展了单一光纤传感系统的传感功能。
【关键词】：分布式光纤传感 瑞利散射 弱反射光纤光栅 长周期光纤光栅 振动 温度 应变
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN253;TP212
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 绪论13-25
• 1.1 光纤传感技术及分类13-15
• 1.2 基于瑞利散射的全分布式光纤传感技术研究进展15-18
• 1.2.1 光时域反射仪(OTDR)16
• 1.2.2 相干光时域反射仪(COTDR)16-17
• 1.2.3 相位光时域反射仪(Φ-OTDR)17-18
• 1.2.4 偏振光时域反射仪(POTDR)18
• 1.3 光纤光栅的研究进展18-22
• 1.3.1 布拉格光纤光栅18-21
• 1.3.2 新型光纤光栅21-22
• 1.4 本论文的选题背景和主要工作22-25
• 1.4.1 本论文的选题背景22-23
• 1.4.2 本论文的主要工作23-25
• 第二章 瑞利分布式光纤传感技术及光纤光栅传感技术25-40
• 2.1 OTDR和POTDR传感技术25-34
• 2.1.1 光纤中的散射25-27
• 2.1.2 光时域反射(OTDR)技术27-31
• 2.1.3 基于偏振的光时域反射(POTDR)技术31-34
• 2.2 基于光纤光栅的传感技术34-39
• 2.2.1 布拉格光纤光栅36-38
• 2.2.2 长周期光纤光栅38-39
• 2.3 本章小结39-40
• 第三章 弱反射与长周期光纤光栅理论、制造工艺及性能测试40-56
• 3.1 布拉格与长周期光纤光栅理论40-45
• 3.1.1 布拉格光纤光栅的反射谱41-43
• 3.1.2 长周期光纤光栅的透射谱43-45
• 3.2 弱反射与长周期光纤光栅制造工艺与性能测试45-55
• 3.2.1 宽谱弱反射光纤光栅制造工艺及性能46-51
• 3.2.2 窄谱弱反射光纤光栅制造工艺及性能51-52
• 3.2.3 长周期光纤光栅制作工艺及性能52-55
• 3.3 本章小结55-56
• 第四章 基于宽谱弱反射光纤光栅的POTDR信噪比增强研究56-76
• 4.1 理论与仿真研究56-68
• 4.1.1 光纤光栅间隔与脉冲宽度对系统信噪比的影响56-57
• 4.1.2 结合弱反射光纤光栅的POTDR系统仿真57-68
• 4.2 实验研究68-75
• 4.2.1 基于弱光栅阵列的POTDR系统的信噪比测量69-71
• 4.2.2 静态压力的实验测量71-72
• 4.2.3 动态振动的实验测量72-75
• 4.3 本章小结75-76
• 第五章 基于光时域反射技术及光纤光栅的多功能分布式光纤传感系统76-94
• 5.1 新型传感系统方案76-80
• 5.2 多功能光纤传感系统实验研究80-93
• 5.2.1 实验系统结构及参数80-85
• 5.2.2 温度及应变传感性能85-88
• 5.2.3 分布式传感性能88-89
• 5.2.4 准分布式振动传感性能89-93
• 5.3 本章小结93-94
• 第六章 总结与展望94-97
• 6.1 总结94-95
• 6.2 本文的创新性95
• 6.3 展望95-97
• 致谢97-99
• 参考文献99-111
• 攻读博士学位期间取得的成果111-114

【参考文献】

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  本文关键词：融合弱光栅的改进型瑞利分布式光纤传感系统，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：359611