【摘要】：眾所周知,光纖作為當(dāng)今世界最主要的傳輸與傳感介質(zhì),有著其不可取代的地位。作為傳感介質(zhì)的光纖,具有易被各種光探測(cè)器件接收、高靈敏度、性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn);而作為傳輸介質(zhì)的光纖,具有可方便的進(jìn)行光電或電光轉(zhuǎn)換、在傳輸過程中不受電磁干擾、非侵入性和信號(hào)損失量小的優(yōu)點(diǎn)。光纖傳感技術(shù)利用光纖可以同時(shí)作為傳輸與傳感介質(zhì)的特性而迅速發(fā)展起來,根據(jù)其檢測(cè)方式的不同可以劃分為以下三類:點(diǎn)式、準(zhǔn)分布式和分布式光纖傳感技術(shù)(Distributed Optical Fiber Sensing Technology,DOFS),其中DOFS是當(dāng)今世界熱門研究課題之一。DOFS可以按照不同的散射光類型分為以下三類:基于布里淵散射的DOFS、基于拉曼散射的DOFS和基于瑞利散射的DOFS。雖然基于布里淵散射的DOFS與另外兩種DOFS相比被提出的時(shí)間較晚一些,但其在對(duì)溫度和應(yīng)力進(jìn)行傳感時(shí)可以實(shí)現(xiàn)的傳感距離和實(shí)驗(yàn)參數(shù)的精確程度等均強(qiáng)于另外兩種DOFS,此外通過探測(cè)布里淵散射信號(hào)的頻移和強(qiáng)度等傳感參量,可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和應(yīng)力的雙參傳感。因此,基于布里淵散射的DOFS吸引了眾多研究人員參與其中并取得了豐碩的研究成果。本文在對(duì)在基于布里淵散射的DOFS進(jìn)行了大量的調(diào)研與深入的研究之后,設(shè)計(jì)了一種基于光域頻移(Optical Domain Frequency Shift,ODFS)的外差檢測(cè)布里淵光時(shí)域反射系統(tǒng)(ODFS-BOTDR)的設(shè)計(jì)方案,根據(jù)設(shè)計(jì)方案搭建ODFS-BOTDR實(shí)驗(yàn)平臺(tái),并在搭建好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行相關(guān)理論驗(yàn)證與實(shí)驗(yàn)研究。主要研究?jī)?nèi)容如下:首先,本文簡(jiǎn)要介紹了五種基于布里淵散射的DOFS及其國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,并按照原理對(duì)這五種技術(shù)進(jìn)行分類與比較;從原理、散射信號(hào)特性等方面著重分析了光纖中的布里淵散射,通過探測(cè)布里淵散射信號(hào)的頻移和強(qiáng)度等傳感參量,可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和應(yīng)力的雙參傳感;提出了一種解決布里淵散射信號(hào)傳感參量對(duì)應(yīng)力和溫度交叉敏感問題的解決方案并簡(jiǎn)要概括了布里淵散射信號(hào)的檢測(cè)方法為后續(xù)搭建ODFS-BOTDR實(shí)驗(yàn)平臺(tái)奠定了理論基礎(chǔ)。其次設(shè)計(jì)了一款基于ODFS的ODFS-BOTDR的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建方案,本平臺(tái)由五個(gè)模塊構(gòu)成,分別是光源模塊、光脈沖調(diào)制模塊、入射光功率可調(diào)模塊、外差檢測(cè)模塊、光域移頻模塊。分析各個(gè)模塊的技術(shù)指標(biāo),并詳細(xì)介紹了各個(gè)模塊的關(guān)鍵器件選擇方案和詳細(xì)參數(shù)為后續(xù)搭建ODFS-BOTDR提供了理論依據(jù)和參考標(biāo)準(zhǔn)。然后,根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建方案搭建ODFS-BOTDR實(shí)驗(yàn)平臺(tái),通過實(shí)驗(yàn)探究并驗(yàn)證了光纖中的散射光與入射光功率之間的關(guān)系;針對(duì)本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所使用的光纖及調(diào)制方式,提出了一種受激布里淵散射閾值測(cè)量方案,并通過實(shí)驗(yàn)探究影響受激布里淵散射閾值的因素;設(shè)計(jì)了一種基于ODFS的思路,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其正確性;理論分析光脈沖調(diào)制參數(shù),設(shè)計(jì)光脈沖調(diào)制方案并調(diào)制出ODFS-BOTDR實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所需的脈沖信號(hào);在本地信號(hào)路引入擾偏器,使其產(chǎn)生隨機(jī)變化的偏振態(tài),來消除由于偏振狀態(tài)帶來的不良影響,擾偏器的引入不僅可以解決偏振敏感問題,還可以使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,降低成本。最后,調(diào)試ODFS-BOTDR實(shí)驗(yàn)平臺(tái)各器件,使其達(dá)到最佳工作狀態(tài),通過示波器采集自發(fā)布里淵散射信號(hào),并對(duì)采集到信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理,驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的可行性,為后續(xù)對(duì)待測(cè)光纖進(jìn)行溫度和應(yīng)變的雙參傳感研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
【圖文】：

．Ｐ邐：逡逑探測(cè)和信號(hào)處理逡逑圖１－１邋ＢＯＣＤＡ基本原理逡逑ＢＯＦＤＡ是基于布里淵光頻域分析的ＤＯＦＳ。它的基本原理如圖１－２所示。逡逑首先以調(diào)制頻率／ｍ的正弦信號(hào)對(duì)泵浦光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，被調(diào)制后的信號(hào)通過三逡逑端口環(huán)形器進(jìn)入待測(cè)光纖，然后在待測(cè)光纖的末端射入中心頻率為／－／Ｂ直流的逡逑探測(cè)光，其中探測(cè)光在注入待測(cè)光纖之前也被同頻率的正弦波進(jìn)行過頻率調(diào)制，逡逑目的是為了使兩束光具有相同的調(diào)制頻率。被調(diào)制后的兩束光在傳輸介質(zhì)中傳輸逡逑時(shí)會(huì)在其中產(chǎn)生受激布里淵散射，通過在整條光纖上受激布里淵散射的過程，在逡逑環(huán)形器的３端口探測(cè)受激布里淵散射信號(hào)，探測(cè)端測(cè)量?jī)蓚�(gè)光源的輸出功率，并逡逑用矢量分析儀對(duì)探測(cè)到的信號(hào)輸出強(qiáng)度進(jìn)行處理。得到受激布里淵散射信號(hào)的頻逡逑移和功率，通過對(duì)頻移和功率的分析，由于對(duì)于受激布里淵散射信號(hào)來說，頻移逡逑與功率均和溫度與應(yīng)變呈線性關(guān)系，通過多次測(cè)量，尋找線性系數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)逡逑ｆｊｍ邋￣邐逡逑探測(cè)和信號(hào)處理逡逑矢量分析儀逡逑圖１－２邋ＢＯＦＤＡ基本原理逡逑待測(cè)光纖分布式傳感。逡逑ＢＯＣＤＲ是基于布里淵光相干域反射技術(shù)的ＤＯＦＳ。ＢＯＣＤＲ與ＢＯＴＤＲ實(shí)逡逑驗(yàn)原理類似

探測(cè)和信號(hào)處理逡逑圖１－１邋ＢＯＣＤＡ基本原理逡逑ＢＯＦＤＡ是基于布里淵光頻域分析的ＤＯＦＳ。它的基本原理如圖１－２所示。逡逑首先以調(diào)制頻率／ｍ的正弦信號(hào)對(duì)泵浦光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，被調(diào)制后的信號(hào)通過三逡逑端口環(huán)形器進(jìn)入待測(cè)光纖，然后在待測(cè)光纖的末端射入中心頻率為／－／Ｂ直流的逡逑探測(cè)光，其中探測(cè)光在注入待測(cè)光纖之前也被同頻率的正弦波進(jìn)行過頻率調(diào)制，逡逑目的是為了使兩束光具有相同的調(diào)制頻率。被調(diào)制后的兩束光在傳輸介質(zhì)中傳輸逡逑時(shí)會(huì)在其中產(chǎn)生受激布里淵散射，通過在整條光纖上受激布里淵散射的過程，在逡逑環(huán)形器的３端口探測(cè)受激布里淵散射信號(hào)，探測(cè)端測(cè)量?jī)蓚�(gè)光源的輸出功率，并逡逑用矢量分析儀對(duì)探測(cè)到的信號(hào)輸出強(qiáng)度進(jìn)行處理。得到受激布里淵散射信號(hào)的頻逡逑移和功率，通過對(duì)頻移和功率的分析，由于對(duì)于受激布里淵散射信號(hào)來說，，頻移逡逑與功率均和溫度與應(yīng)變呈線性關(guān)系，通過多次測(cè)量，尋找線性系數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)逡逑ｆｊｍ邋￣邐逡逑探測(cè)和信號(hào)處理逡逑矢量分析儀逡逑圖１－２邋ＢＯＦＤＡ基本原理逡逑待測(cè)光纖分布式傳感。逡逑ＢＯＣＤＲ是基于布里淵光相干域反射技術(shù)的ＤＯＦＳ。ＢＯＣＤＲ與ＢＯＴＤＲ實(shí)逡逑驗(yàn)原理類似
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN253

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本文編號(hào)：2613618