發(fā)布時間：2020-03-20 07:26

【摘要】：相位敏感光時域反射計(Phase-sensitive Optical Time Domain Reflectometer,Φ-OTDR)作為一種較新型的全分布式光纖傳感技術(shù),相比于其他光纖傳感技術(shù)而言,具有較高的響應(yīng)速度和靈敏度,能夠探測到更加微弱的外界擾動事件,不僅可以實現(xiàn)對擾動事件的定位,還可以通過相位信息對外界擾動事件進行解調(diào)。Φ-OTDR利用背向傳輸?shù)娜鹄⑸涔?通過光纖中瑞利相干衰落效應(yīng)進行傳感,只要外界擾動事件引起了光纖長度上波長級別的變化,這個擾動信號就能被Φ-OTDR捕捉。因此Φ-OTDR系統(tǒng)靈敏度很高,常用于探測動態(tài)擾動事件、獲取動態(tài)擾動事件的位置與頻率信息。Φ-OTDR系統(tǒng)的靈敏度、動態(tài)范圍等參數(shù)除了受到脈沖的影響之外,還與激光器的線寬、頻率穩(wěn)定性等參數(shù)密切相關(guān)。Φ-OTDR中使用的窄線寬激光器,如果頻率漂移嚴重,就會導(dǎo)致其曲線發(fā)生畸變,不僅降低了信噪比,也會使得整個系統(tǒng)喪失對低頻事件以及弱擾動事件的感測能力。針對上述Φ-OTDR的不足之處,本文提出了兩種方案,通過改進傳統(tǒng)的Φ-OTDR來克服上述問題。同時,通過對激光器的頻率漂移進行模擬,探究了激光器頻率漂移與由此導(dǎo)致的漂移相位之間的關(guān)系。1.提出一種基于馬赫—曾德爾干涉儀(MZI)的Φ-OTDR激光器頻率漂移補償系統(tǒng)。通過在Φ-OTDR中引入具有特定光程差的時延光纖和連接光纖,形成一個具有固定臂長差的MZI作為激光器頻率監(jiān)測和頻率漂移補償模塊。對系統(tǒng)中MZI的信號強度及其相位信息進行解調(diào),計算出由激光器頻率漂移引起的相位變化,通過相位補償,消除激光器頻率漂移對Φ-OTDR傳感性能的影響,從而可以實現(xiàn)對Φ-OTDR系統(tǒng)穩(wěn)定性的直接判斷和對原始振動信號的準確恢復(fù),有利于提高系統(tǒng)可靠性。2.提出了一種基于二次相位作差消除Φ-OTDR中頻率漂移的方法。在不改變原有傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的前提下,通過在振動區(qū)域或者非振動區(qū)域中選取與待補償信號相同間隔的兩個點,利用兩點之間的相位差來表征激光器頻率漂移的變化,將這個相位差與待補償信號進行再次作差就可以消除由于激光器頻率漂移引起的相位變化。從而消除激光器頻率漂移對Φ-OTDR系統(tǒng)傳感性能的影響,實現(xiàn)對振動事件的精確恢復(fù),提高系統(tǒng)可靠性。該算法計算簡單,可以實現(xiàn)對激光器頻率漂移的實時補償。3.通過模擬探究了線性激光器頻率漂移與輸出相位之間的關(guān)系,在10m光纖長度上通過改變散射點密度、頻率漂移的速度,進一步對上述兩種激光器頻率漂移補償方法的效果進行了分析。實驗中采用的傳感光纖長度為6 km,振動信號通過任意函數(shù)發(fā)生器驅(qū)動壓電陶瓷施加在傳感光纖5km處。通過上述激光器頻率漂移補償方案,可以準確恢復(fù)出頻率為0.05Hz、振幅為5.89nε的振動信號。實驗表明上述兩種方案均可以有效改善波形畸變、提高Φ-OTDR系統(tǒng)整體傳感性能及其探測能力和系統(tǒng)靈敏度。
【圖文】：

光纖長度／米逡逑圖１．１邋ＯＴＤＲ中信號光功率曲線逡逑由圖１．１可以分析得出ＯＴＤＲ曲線的特征，由于光纖損耗，ＯＴＤＲ的光功率逡逑曲線整體早．現(xiàn)衰減趨勢，但是其中Ａ、Ｂ兩個位置的光功率出現(xiàn)／突然衰減，發(fā)逡逑生了功率突變，這種情況出現(xiàn)的原ｔＡ＿Ｍ＇能是連接頭引入的損耗，也T能是光纖斷逡逑點或是光纖彎折引入的光功率突然衰減，而圖中的Ｃ、Ｄ兩點的光功率情況和Ａ，逡逑Ｂ兩點的光功率分布恰恰相反，會出現(xiàn)暫時的光功率的突然增長，，這種情況出現(xiàn)逡逑的原因主要是因為在光纖中引入了菲涅爾反射。光在傳播過程中，遇到光纖末端逡逑端面或者斷點時折射率會發(fā)生改變，在這些位置探測光會發(fā)生反射和折射，由此逡逑導(dǎo)致光功率的突變。逡逑ＯＴＤＲ傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖１．２所示

Ｄ逡逑光纖長度／米逡逑圖１．１邋ＯＴＤＲ中信號光功率曲線逡逑由圖１．１可以分析得出ＯＴＤＲ曲線的特征，由于光纖損耗，ＯＴＤＲ的光功率逡逑曲線整體早．現(xiàn)衰減趨勢，但是其中Ａ、Ｂ兩個位置的光功率出現(xiàn)／突然衰減，發(fā)逡逑生了功率突變，這種情況出現(xiàn)的原ｔＡ＿Ｍ＇能是連接頭引入的損耗，也T能是光纖斷逡逑點或是光纖彎折引入的光功率突然衰減，而圖中的Ｃ、Ｄ兩點的光功率情況和Ａ，逡逑Ｂ兩點的光功率分布恰恰相反，會出現(xiàn)暫時的光功率的突然增長，這種情況出現(xiàn)逡逑的原因主要是因為在光纖中引入了菲涅爾反射。光在傳播過程中，遇到光纖末端逡逑端面或者斷點時折射率會發(fā)生改變
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TP212;TN248

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 龍青云;鄧華秋;彭志平;;喇曼散射的數(shù)值仿真及其應(yīng)用探索[J];激光與紅外;2014年04期

2 梁可楨;潘政清;周俊;葉青;蔡海文;瞿榮輝;;一種基于相位敏感光時域反射計的多參量振動傳感器[J];中國激光;2012年08期

3 呂月蘭;行永偉;;相位光時域反射計瑞利散射波形特性研究[J];光學(xué)學(xué)報;2011年08期

4 李科;楊飛;陳峰華;;OTDR原理及其應(yīng)用[J];山西科技;2010年02期

5 馬強;韓加祥;成明;;光纖通信技術(shù)的發(fā)展與展望[J];科學(xué)咨詢(決策管理);2010年01期

6 李建中;饒云江;冉曾令;謝孔利;;基于ф-OTDR和POTDR結(jié)合的分布式光纖微擾傳感系統(tǒng)[J];光子學(xué)報;2009年05期

7 王峰;張旭蘋;路元剛;董玉明;;提高布里淵光時域反射應(yīng)變儀測量空間分辨力的等效脈沖光擬合法[J];光學(xué)學(xué)報;2008年01期

8 歐進萍;侯爽;周智;A.V.Dyshlyuk;;多段分布式光纖裂縫監(jiān)測系統(tǒng)及其應(yīng)用[J];壓電與聲光;2007年02期

9 胡再新;分布式光纖溫度測量系統(tǒng)的原理及應(yīng)用[J];中國儀器儀表;2004年07期

10 倪亞茹,劉啟華;激光技術(shù)的發(fā)展歷程及其主要科學(xué)技術(shù)源流[J];南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版);2004年01期

相關(guān)會議論文 前1條

1 張熹彥;倪江生;;基于DSP的FGB波峰檢測算法的研究[A];2008中國儀器儀表與測控技術(shù)進展大會論文集（Ⅲ）[C];2008年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 安陽;雙光束Ф-OTDR分布式光纖傳感技術(shù)與應(yīng)用[D];天津大學(xué);2014年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前4條

1 劉莉;基于啁啾脈沖的光反射儀的研究[D];上海交通大學(xué);2015年

2 張博;基于φ-OTDR的高靈敏光纖振動傳感器的研究[D];電子科技大學(xué);2015年

3 趙常凱;實時圖像去霧方法研究[D];沈陽理工大學(xué);2015年

4 隋紅麗;分布式光纖溫度傳感器機理及其應(yīng)用技術(shù)研究[D];燕山大學(xué);2003年

本文編號：2591460