干涉型光纤振动传感器定位精度及解调算法研究

发布时间：2022-02-20 23:37

　　分布式光纤传感具有本征安全、抗电磁干扰、耐腐蚀、可大范围连续监测等优势,近年来得到了国内外的广泛关注。振动传感作为分布式光纤传感领域中主要的研究方向之一,在民用设施周界安防、油气管道安全监测、桥梁结构健康监测、军事基地入侵预警等领域具有广阔的应用前景。干涉型光纤振动传感技术包括前向传输光干涉型和后向散射光干涉型两类。基于前向传输光干涉型光纤振动传感器,如萨格纳克（Sagnac）干涉仪和马赫泽德（Mach-Zehnder）干涉仪,是将被测的振动信号转换为光纤中前向传输光的相位变化,再通过干涉将相位变化转换成光强变化。它结构相对简单、响应速度快,但振动定位精度较低。而后向散射光干涉型光纤振动传感器,如相位敏感光时域反射仪（phase-sensitive optical time domain reflectometer,Φ-OTDR）,是利用高相干光脉冲在光纤中传输时产生的后向瑞利散射光的干涉效应,通过建立后向散射光信号与时间的关系获得振动位置信息,其定位精度高,但存在振动信号解调复杂以及实时性不高等问题。本文围绕干涉型光纤振动传感器的定位精度及解调算法开展研究,主要内容包括:（1）研究了... 

【文章来源】：太原理工大学山西省211工程院校

【文章页数】：156 页

【学位级别】：博士

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摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 引言
    1.2 光纤振动传感技术概述
        1.2.1 点式光纤振动传感器
        1.2.2 准分布式光纤振动传感器
        1.2.3 分布式光纤振动传感器
    1.3 干涉型光纤振动传感器
        1.3.1 光纤振动传感器分类
        1.3.2 国内外研究动态
    1.4 本课题的研究意义及主要研究内容
        1.4.1 研究意义
        1.4.2 主要研究内容
第二章 干涉型光纤振动传感技术机理分析
    2.1 光纤振动传感机理分析
        2.1.1 振动引起的光相位调制
        2.1.2 光的干涉原理
        2.1.3 信号传输模型
    2.2 基于前向传输光干涉型振动传感机理分析
        2.2.1 白光干涉机理
        2.2.2 Sagnac分布式振动传感机理
        2.2.3 Mach-Zehnder分布式振动传感机理
    2.3 基于后向散射光干涉型振动传感机理分析
        2.3.1 光纤中的后向散射
        2.3.2 光时域反射机理
        2.3.3 Φ-OTDR分布式振动传感机理
    2.4 本章小结
第三章 基于混沌光源的Sagnac振动定位精度优化研究
    3.1 基于混沌光源的Sagnac传感系统的工作原理
        3.1.1 混沌光产生方式
        3.1.2 振动定位原理分析
    3.2 振动定位性能影响因素分析
        3.2.1 相位偏置对振动定位性能的影响
        3.2.2 零频点阶数对振动定位性能的影响
    3.3 基于混沌光源的Sagnac振动传感实验系统
        3.3.1 实验系统搭建
        3.3.2 混沌光源特性
    3.4 振动测量实验结果分析与讨论
        3.4.1 单频振动信号检测
        3.4.2 复杂振动信号检测
        3.4.3 振动信号频谱分析
        3.4.4 振动定位精度测试
    3.5 本章小结
第四章 基于计数脉冲法的Mach-Zehnder振动定位精度优化研究
    4.1 基于计数脉冲法的Mach-Zehnder传感系统的工作原理
        4.1.1 计数脉冲法方案设计
        4.1.2 计数脉冲法定位原理
    4.2 振动定位性能影响因素分析
        4.2.1 计数脉冲宽度对振动定位性能的影响
        4.2.2 计数脉冲光功率分配对振动定位性能的影响
        4.2.3 计数脉冲驱动光源线宽对振动定位性能的影响
    4.3 Mach-Zehnder振动传感系统搭建与参数设置
        4.3.1 实验装置
        4.3.2 实验参数设置
    4.4 振动测量实验结果分析与讨论
        4.4.1 无外界振动时的系统特征
        4.4.2 加振动信号时的系统特性
        4.4.3 干涉脉冲序列包络特征分析
        4.4.4 信号特征点时间的测量
        4.4.5 振动定位精度分析
    4.5 本章小结
第五章 基于包络正交解调算法的Φ-OTDR振动相对幅度表征研究
    5.1 Φ-OTDR系统振动信号调制与解调理论
        5.1.1 Φ-OTDR系统振动信号相位调制仿真分析
        5.1.2 Φ-OTDR系统振动信号包络正交解调理论分析
    5.2 Φ-OTDR系统组成与选型
        5.2.1 实验系统搭建
        5.2.2 关键器件选型
    5.3 Φ-OTDR振动定位算法
        5.3.1 连续平均差分算法
        5.3.2 图像边缘检测算法
    5.4 振动解调实验结果分析与讨论
        5.4.1 后向散射信号强度-时间特征分析
        5.4.2 正交解调信号相位-时间特性分析
        5.4.3 外界振动信号相对幅度表征特性分析
    5.5 本章小结
第六章 基于散射信号数据矩阵匹配解调算法的Φ-OTDR实时性优化研究
    6.1 Φ-OTDR系统数据矩阵匹配解调算法
        6.1.1 后向散射数据矩阵的构建
        6.1.2 有效传感信息的提取
    6.2 Φ-OTDR系统硬件方案设计
        6.2.1 信号采集模块设计
        6.2.2 数据处理模块设计
        6.2.3 数据传输模块设计
    6.3 Φ-OTDR系统软件方案设计
        6.3.1 上位机开发环境介绍
        6.3.2 系统软件流程设计
    6.4 振动测量实验结果分析与讨论
        6.4.1 振动传感实验系统搭建
        6.4.2 振动实时定位性能分析
        6.4.3 振动信号三维监测分析
    6.5 本章小结
第七章 总结与展望
    7.1 总结
    7.2 展望
参考文献
图表索引
致谢
攻读博士学位期间取得的科研成果


【参考文献】：
期刊论文
[1]负泊松比材料和结构的研究进展[J]. 任鑫,张相玉,谢亿民.  力学学报. 2019(03)
[2]基于高速动态光栅解调系统的FBG等强度悬臂梁振动传感特性研究[J]. 石胜辉,罗彬彬,杨万猛,胡新宇,赵明富,邹雪,叶露,谢浪.  激光杂志. 2018(10)
[3]煤矿井下TDMZI光纤定位系统[J]. 郭继坤,陈司晗,张睿.  黑龙江科技大学学报. 2018(05)
[4]分布式多参数光纤传感技术研究进展[J]. 况洋,吴昊庭,张敬栋,周欢,郑华,黄礼刚,白永忠,屈定荣,邱枫,朱涛.  光电工程. 2018(09)
[5]基于SVM算法的φ-OTDR分布式光纤扰动传感系统模式识别研究[J]. 张俊楠,娄淑琴,梁生.  红外与激光工程. 2017(04)
[6]长距离分布式光纤传感技术研究进展[J]. 饶云江.  物理学报. 2017(07)
[7]航空航天光纤传感技术研究进展[J]. 刘铁根,王双,江俊峰,刘琨,尹金德.  仪器仪表学报. 2014(08)
[8]一种基于相位敏感光时域反射计的多参量振动传感器[J]. 梁可桢,潘政清,周俊,叶青,蔡海文,瞿荣辉.  中国激光. 2012(08)
[9]双Mach-Zehnder光纤干涉仪中的模拟退火偏振控制算法[J]. 张溪默,曾周末,封皓,靳世久,安阳.  激光与红外. 2012(03)
[10]基于分布式光纤传感阵列的管网泄漏监测系统研究[J]. 何存富,郑兴强,骆建伟,杭利军,徐秀,黄辉.  光学技术. 2011(01)

博士论文
[1]基于相位调制的干涉型光纤传感器研究[D]. 孙浩.西北大学 2016

硕士论文
[1]分布式光纤振动传感系统相位解调方法的研究与改进[D]. 王旭.吉林大学 2018
[2]白光干涉型光纤麦克风系统的研究[D]. 张成梅.安徽大学 2010



本文编号：3636038