【摘要】：相位敏感光時(shí)域反射計(jì)(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(cè)到更加微弱的外界擾動(dòng)事件,不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)擾動(dòng)事件的定位,還可以通過(guò)相位信息對(duì)外界擾動(dòng)事件進(jìn)行解調(diào)。Φ-OTDR利用背向傳輸?shù)娜鹄⑸涔?通過(guò)光纖中瑞利相干衰落效應(yīng)進(jìn)行傳感,只要外界擾動(dòng)事件引起了光纖長(zhǎng)度上波長(zhǎng)級(jí)別的變化,這個(gè)擾動(dòng)信號(hào)就能被Φ-OTDR捕捉。因此Φ-OTDR系統(tǒng)靈敏度很高,常用于探測(cè)動(dòng)態(tài)擾動(dòng)事件、獲取動(dòng)態(tài)擾動(dòng)事件的位置與頻率信息。Φ-OTDR系統(tǒng)的靈敏度、動(dòng)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(yán)重,就會(huì)導(dǎo)致其曲線發(fā)生畸變,不僅降低了信噪比,也會(huì)使得整個(gè)系統(tǒng)喪失對(duì)低頻事件以及弱擾動(dòng)事件的感測(cè)能力。針對(duì)上述Φ-OTDR的不足之處,本文提出了兩種方案,通過(guò)改進(jìn)傳統(tǒng)的Φ-OTDR來(lái)克服上述問(wèn)題。同時(shí),通過(guò)對(duì)激光器的頻率漂移進(jìn)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?tīng)柛缮鎯x(MZI)的Φ-OTDR激光器頻率漂移補(bǔ)償系統(tǒng)。通過(guò)在Φ-OTDR中引入具有特定光程差的時(shí)延光纖和連接光纖,形成一個(gè)具有固定臂長(zhǎng)差的MZI作為激光器頻率監(jiān)測(cè)和頻率漂移補(bǔ)償模塊。對(duì)系統(tǒng)中MZI的信號(hào)強(qiáng)度及其相位信息進(jìn)行解調(diào),計(jì)算出由激光器頻率漂移引起的相位變化,通過(guò)相位補(bǔ)償,消除激光器頻率漂移對(duì)Φ-OTDR傳感性能的影響,從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)Φ-OTDR系統(tǒng)穩(wěn)定性的直接判斷和對(duì)原始振動(dòng)信號(hào)的準(zhǔn)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?cè)袀鞲邢到y(tǒng)結(jié)構(gòu)的前提下,通過(guò)在振動(dòng)區(qū)域或者非振動(dòng)區(qū)域中選取與待補(bǔ)償信號(hào)相同間隔的兩個(gè)點(diǎn),利用兩點(diǎn)之間的相位差來(lái)表征激光器頻率漂移的變化,將這個(gè)相位差與待補(bǔ)償信號(hào)進(jìn)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(duì)Φ-OTDR系統(tǒng)傳感性能的影響,實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)事件的精確恢復(fù),提高系統(tǒng)可靠性。該算法計(jì)算簡(jiǎn)單,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器頻率漂移的實(shí)時(shí)補(bǔ)償。3.通過(guò)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(zhǎng)度上通過(guò)改變散射點(diǎn)密度、頻率漂移的速度,進(jìn)一步對(duì)上述兩種激光器頻率漂移補(bǔ)償方法的效果進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)中采用的傳感光纖長(zhǎng)度為6 km,振動(dòng)信號(hào)通過(guò)任意函數(shù)發(fā)生器驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷施加在傳感光纖5km處。通過(guò)上述激光器頻率漂移補(bǔ)償方案,可以準(zhǔn)確恢復(fù)出頻率為0.05Hz、振幅為5.89nε的振動(dòng)信號(hào)。實(shí)驗(yàn)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(cè)能力和系統(tǒng)靈敏度。
【圖文】：

光纖長(zhǎng)度／米逡逑圖１．１邋ＯＴＤＲ中信號(hào)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(shì)，但是其中Ａ、Ｂ兩個(gè)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(diǎn)或是光纖彎折引入的光功率突然衰減，而圖中的Ｃ、Ｄ兩點(diǎn)的光功率情況和Ａ，逡逑Ｂ兩點(diǎn)的光功率分布恰恰相反，會(huì)出現(xiàn)暫時(shí)的光功率的突然增長(zhǎng)，，這種情況出現(xiàn)逡逑的原因主要是因?yàn)樵诠饫w中引入了菲涅爾反射。光在傳播過(guò)程中，遇到光纖末端逡逑端面或者斷點(diǎn)時(shí)折射率會(huì)發(fā)生改變，在這些位置探測(cè)光會(huì)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(zhǎng)度／米逡逑圖１．１邋ＯＴＤＲ中信號(hào)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(shì)，但是其中Ａ、Ｂ兩個(gè)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(diǎn)或是光纖彎折引入的光功率突然衰減，而圖中的Ｃ、Ｄ兩點(diǎn)的光功率情況和Ａ，逡逑Ｂ兩點(diǎn)的光功率分布恰恰相反，會(huì)出現(xiàn)暫時(shí)的光功率的突然增長(zhǎng)，這種情況出現(xiàn)逡逑的原因主要是因?yàn)樵诠饫w中引入了菲涅爾反射。光在傳播過(guò)程中，遇到光纖末端逡逑端面或者斷點(diǎn)時(shí)折射率會(huì)發(fā)生改變
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TP212;TN248

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2591460