【摘要】：分布式光纖傳感是一種以光纖為傳感介質(zhì)并獲取隨時間與空間分布信息的技術(shù),其中基于光頻域反射(OFDR)并結(jié)合偏振模耦合的分布式應(yīng)力傳感系統(tǒng)具有較高的空間分辨率。本論文首先對保偏光纖耦合強度與應(yīng)力之間的關(guān)系進行了深入的研究;然后根據(jù)OFDR系統(tǒng)結(jié)構(gòu),分析了系統(tǒng)性能參數(shù)與相位噪聲模型,并對系統(tǒng)中可調(diào)諧光源非線性效應(yīng)的影響進行了研究;最后搭建了基于OFDR與偏振模耦合相結(jié)合的分布式應(yīng)力傳感系統(tǒng)實驗平臺,并進行了相關(guān)的實驗研究。主要內(nèi)容如下:1.根據(jù)彈光效應(yīng)與偏振模耦合理論對保偏光纖耦合強度隨應(yīng)力大小和角度的變化關(guān)系進行了理論推導(dǎo),得到了偏振耦合強度與應(yīng)力之間的解析式,并進行了相應(yīng)的仿真分析和實驗驗證,結(jié)果表明:當(dāng)應(yīng)力大小F一定時,保偏光纖耦合強度h隨應(yīng)力作用角度θ的變化呈現(xiàn)出以π/2為周期的正弦變化關(guān)系;當(dāng)應(yīng)力作用角度?一定,且應(yīng)力大小F較小時,保偏光纖耦合強度h隨應(yīng)力大小F呈近似線性變化。2.設(shè)計了基于M-Z干涉儀結(jié)構(gòu)的OFDR光路系統(tǒng),并研究了系統(tǒng)相位噪聲模型與可調(diào)諧光源非線性效應(yīng)的影響。深入分析了非均勻傅里葉變換、去斜濾波器、三次樣條插值等三種對光源非線性效應(yīng)進行補償?shù)乃惴?并采用Labview軟件分別對三種補償算法進行了模擬仿真,結(jié)果表明:三種補償方法均可實現(xiàn)對光源非線性效應(yīng)的補償。其中,三次樣條插值算法具有原理簡單,運算精度更高等優(yōu)點,更適合于OFDR系統(tǒng)可調(diào)諧光源非線性效應(yīng)的補償。3.完成了基于OFDR的分布式應(yīng)力傳感實驗系統(tǒng)的搭建與測試。實驗中通過對測試數(shù)據(jù)的非線性補償,實現(xiàn)了最高空間分辨率為4 cm;在此基礎(chǔ)上,對光纖在單點與多點施加應(yīng)力的情況下分別進行了測試,結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠檢測出應(yīng)力的位置信息和應(yīng)力大小的變化。該系統(tǒng)定位測量誤差為?0.6 m,應(yīng)力大小測量誤差為?9.7%。通過以上幾方面的研究,最終實現(xiàn)了基于OFDR并結(jié)合保偏光纖偏振模耦合的分布式應(yīng)力傳感系統(tǒng),并且能夠有效地進行高空間分辨率的分布式應(yīng)力測試,在分布式光纖傳感技術(shù)的研究與發(fā)展中具有重要意義。
[Abstract]:Distributed optical fiber sensing is a kind of technology which takes optical fiber as the sensor medium and acquires information with time and space. The distributed stress sensing system based on optical frequency domain reflection (OFDR) and polarization mode coupling has high spatial resolution. In this paper, the relationship between coupling strength and stress of polarization-maintaining fiber is studied, and then the performance parameters and phase noise model are analyzed according to the structure of OFDR system. Finally, the experimental platform of distributed stress sensing system based on OFDR and polarization mode coupling is built, and the related experimental research is carried out. The main contents are as follows: 1. Based on the elastic-optical effect and polarization mode coupling theory, the relationship between the coupling strength of polarization maintaining fiber with stress and angle is derived theoretically, and the analytical formula between polarization coupling strength and stress is obtained. The corresponding simulation analysis and experimental results show that when the stress F is constant, the coupling strength h of the polarization-maintaining fiber changes with the stress angle 胃, and takes 蟺 / 2 as the period of sinusoidal change, and when the stress action angle is constant, the variation of the coupling strength of the polarization maintaining fiber shows a sine relation with the stress action angle 胃. The coupling strength h of the polarization-maintaining fiber changes linearly with the stress magnitude F when the stress F is small. 2. The OFDR optical circuit system based on M-Z interferometer structure is designed and the influence of the system phase noise model and the nonlinear effect of tunable light source is studied. The nonuniform Fourier transform, de-skew filter and cubic spline interpolation are analyzed to compensate the nonlinear effect of the light source. The simulation of the three compensation algorithms is carried out by using Labview software. The results show that all three methods can compensate the nonlinear effect of light source. Among them, the cubic spline interpolation algorithm has the advantages of simple principle and high precision, and is more suitable for compensating the nonlinear effect of tunable light source in OFDR system. The distributed stress sensing experiment system based on OFDR is built and tested. In the experiment, the maximum spatial resolution of 4 cm; is realized by nonlinear compensation of the test data. On the basis of this, the fiber is tested under the condition of single point and multi-point stress. The results show that the system can detect the position information of stress and the change of stress. The error of position measurement is 0.6 m, and the error of stress measurement is? 9.7 m. Finally, the distributed stress sensing system based on OFDR and polarization mode coupling of polarization maintaining fiber is realized, and the distributed stress measurement with high spatial resolution can be carried out effectively. It is of great significance in the research and development of distributed optical fiber sensing technology.
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN253

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本文編號：2283349