基于OFDR的分布式光纤多参量传感方法研究

发布时间：2020-02-20 18:15

【摘要】：基于瑞利散射的光频域反射技术(Optical Frequency Domain Reflectometry,OFDR)是分布式光纤测量与传感技术中的新型方法,其在与传统光时域传感技术(Optical Time Domain Reflectometry,OTDR)相比较时,具有着高动态范围,高灵敏度和更高空间分辨率的优势。但是光频域反射技术目前在更多参量传感性能,光纤测试距离,长距离光纤测量时的空间分辨率,以及在长距离被测光纤下的传感性能等方面仍存在一定不足,制约了其更广泛应用的展开。本文针对光频域反射技术中目前存在的问题,从光频域反射技术的几个重点问题开始,包括相位噪声、光源的非线性调谐、系统采样误差、瑞利散射光谱传感机理等方面,提出基于光频域反射技术进行更多参量的传感方法,提出提高长距离光纤测量空间分辨率的方法,同时提出可用于长距离光纤下的传感方法,并完成理论分析和实验验证。本文的主要工作如下:1、从可调谐光源的非线性调谐效应对光频域反射信号的影响出发,提出了优化去斜滤波方法用于对可调谐激光器的非线性调谐效应进行补偿。补偿后使得长距离光纤测量信号的幅值和反射点的空间分辨率都得以提高,80km处的反射峰幅值较未补偿前提高20.5dB,80km处反射点的空间分辨率为80cm,与未补偿信号比较提高187倍。2、提出了一种基于OFDR瑞利散射光谱分析的分布式长距离光纤扰动传感方法,在提出的方法中先对光频域反射信号进行优化去斜滤波方法的处理,再通过对光频域信号瑞利散射光谱的互相关分析,从而解调出扰动信号的位置和幅值信息。该方法光纤的被测长度达到40km,对扰动点的定位误差在11.6m-23.2m之间,并且实现了多点的扰动传感。3、从光纤中的瑞利散射机理和基于光纤中瑞利散射光谱进行传感的原理出发,建立基于OFDR进行低温传感的实验系统,提出了基于OFDR用于单模光纤中瑞利散射光谱频移的低温环境(温度在77K下)的温度传感方法。实现在被测环境温度在76K时,最小可测的温度变化量为0.34K,有效传感分辨率为48cm。4、提出了一种基于OFDR结合磁致伸缩材料进行光纤分布式磁场和电流传感的方法。选用磁致伸缩材料Fe-Co-V软磁合金的薄板作为传感介质材料,在该软磁合金表面贴合封装单模光纤,通过在OFDR中利用瑞利散射光谱漂移来测量耦合在单模光纤上的应变变化,实现对施加在磁致伸缩材料上的磁场以及用于产生磁场的电流变化的测量。提出的方法实现测量磁场变化范围从0-143.3mT。最小可测的磁感应强度为5.3mT,最小可测的电流变化为0.3A,参量有效传感分辨率为14cm。另外,我们利用该传感方法分别实现多点磁场和多点电流的同时探测,以此来印证该方法进行分布式磁场和电流传感的有效性。
【图文】：

分布式光纤传感技术,光纤传感技术,分布式光纤传感,应用领域

第一章绪论传感技术。虽然准分布式光纤传感系统已经能够实现多点位置的同时测量，但是传感位置必须进行预先设定，其他未设置传感单元的光纤只做光信号的传输，，因此点式或者准分布式光纤传感技术并不能实现真正意义的多点分布式的参量测量和传感。正是基于此分布式光纤传感技术，或叫全分布式光纤传感技术，其可以拟补分立式光纤传感技术的不足，分布式光纤传感技术能实现长距离、大动态范围内对温度、应力/应变、扰动、电磁等参量的连续测量，甚至可以对三维空间的连续性分布的场进行测量。

分布式检测,光纤链路,超相

以及通过使用串联相位的方法进行 OFDR 中有效的相位噪声补偿，从而通过 OFDR 方法实现光纤测试距离为 40km，空间分辨率达到 5cm，这项指标也是在 OFDR 的长距离光纤测试研究方向达到的非常具有突破性的成果。在 2015 年检索的最新 OFDR 方面的文献中，上海交通大学的 Q.W.Liu 等人[85]提出时间门限窗的方法用于 OFDR 中，实现测试距离 110km，空间分辨率为1.6m。通常我们讲的光频域反射技术中，探测的都是强相干信号，然而当被测光纤的长度在超过光源的相干长度的情况时，探测弱相干信号在 OFDR 技术中也是可行的，如 Z.Ding 等人[86]探测超相干情况下的菲涅耳反射，实现对 170km光纤末端菲涅耳反射峰的探测，反射点的空间分辨率为 200m。另有 C.Baker 等人[87]通过在OFDR系统中加入克尔介质(Kerrmedium)实现超相干情况下的光纤测量，测量的强反射点位置达 151km，空间分辨率为 11.2cm。虽然通过一定方法可以实现超相干下更长的测试距离，但此时测量的仅是分立式强反射点信号，对于长距离光纤链路中的断点，损耗，连接点等的健康监测不具太大意义，因此针对强相干信号探测的研究更为重要。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212

【相似文献】