分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)具有靈敏度高、測量點(diǎn)多、能夠?qū)崿F(xiàn)分布式傳感的優(yōu)勢,在重大基礎(chǔ)設(shè)施健康檢測、油氣勘探、周界安防等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。但分布式光纖傳感系統(tǒng)中存在傳感距離和響應(yīng)帶寬相互制約的問題,隨著系統(tǒng)傳感距離的增加,頻率響應(yīng)帶寬隨之降低,從而限制了它在高頻振動(dòng)信號探測領(lǐng)域中的應(yīng)用。為了解決這一問題,本文主要工作如下:針對分布式光纖傳感系統(tǒng)中傳感距離和響應(yīng)帶寬之間的矛盾,本文首先提出了一種“基于時(shí)分復(fù)用技術(shù)的分布式聲波傳感寬頻響應(yīng)系統(tǒng)”。系統(tǒng)采用多波長窄線寬激光器、WDM、環(huán)形器以及延遲光纖,實(shí)現(xiàn)了兩段¹.04km傳感光纖的結(jié)合,使得兩段傳感光纖上的光信號在時(shí)域上先后到達(dá)光電探測器形成時(shí)分復(fù)用。系統(tǒng)采用80kHz光脈沖重復(fù)頻率,采樣率為120MSa/s的采集卡進(jìn)行同步采集,在².08km傳感光纖上實(shí)現(xiàn)了40kHz振動(dòng)信號的有效探測,且信噪比較高。與傳統(tǒng)φ-OTDR系統(tǒng)相比,該系統(tǒng)有效探測頻率范圍從理論上提升為原來的兩倍。此外,為驗(yàn)證“基于時(shí)分復(fù)用技術(shù)的分布式聲波傳感寬頻響應(yīng)系統(tǒng)”對氣體管道泄漏信號的響應(yīng)特性。本文設(shè)計(jì)了一種“氣體管道泄漏模... 

【文章來源】：電子科技大學(xué)四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

準(zhǔn)分布式測量系統(tǒng)原理圖

第一章緒論31997年美國A.R.Davis等人[7]提出了一種波分復(fù)用和時(shí)分復(fù)用相結(jié)合的技術(shù)將FBG陣列用于水聽器進(jìn)行聲波探測，該探測系統(tǒng)總共復(fù)用了256個(gè)傳感器，并實(shí)現(xiàn)了100km傳感光纖上最大6kHz頻率的信號探測。之后，S.P.Christmas等人[8]又提出一種采用寬帶光源、可調(diào)諧聲光濾波器、馬赫-曾德光纖干涉儀對FBG信號進(jìn)行解調(diào)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)最多可實(shí)現(xiàn)64個(gè)FBG的復(fù)用，并且該系統(tǒng)可探測的最高振動(dòng)頻率達(dá)10kHz。1.2.2基于干涉原理的DOFS常見的基于干涉原理的DOFS系統(tǒng)包括：基于Sagnac干涉儀的DOFS、基于Michelson干涉儀的DOFS和基于Mach-Zenher干涉儀的DOFS系統(tǒng)[9]。1.2.2.1基于SI的DOFS系統(tǒng)Sagnac干涉儀的結(jié)構(gòu)如圖1-2所示，探測光通過激光器輸出后，經(jīng)過一個(gè)耦合器進(jìn)行分束，將該探測光分為傳輸方向相反的兩束光在傳感光纖中傳輸，并最終回到耦合器處形成干涉。當(dāng)外界擾動(dòng)信號作用于傳感光纖的某一位置時(shí)，傳感光纖中傳輸?shù)膬墒獠ǖ南辔话l(fā)生變化，且其差分相位與光纖所受擾動(dòng)呈線性關(guān)系，因此，通過對兩束光波的相位差進(jìn)行檢測可以還原外界擾動(dòng)。圖1-2Sagnac干涉儀結(jié)構(gòu)圖1987年，J.P.Dakin等人提出了一種基于SI的振動(dòng)探測系統(tǒng)，成功定位了一個(gè)在200m傳感光纖上的單頻振動(dòng)信號[10]。1996年，X.Fang等人提出了一種在Sagnac環(huán)中添加一個(gè)Sagnac子環(huán)來實(shí)現(xiàn)分布式振動(dòng)探測系統(tǒng)，系統(tǒng)采用180m長的保偏光纖實(shí)現(xiàn)對振動(dòng)信號位置和幅度的探測[11]。隨后S.J.Russell等人又提出了一種基于波分復(fù)用技術(shù)的Sagnac雙干涉環(huán)分布式振動(dòng)探測系統(tǒng)[12]，實(shí)現(xiàn)了長距離上空間分辨率為100m的探測。探測器激光器耦合器信號處理傳感光纖擾動(dòng)信號

電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文42002年，Hoffman等人利用基于SI的分布式聲波探測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對外界突發(fā)聲波信號的探測，突發(fā)聲波信號是由一個(gè)10ns的電脈沖形成并作用于傳感光纖上，采用快速傅里葉變換對采集到的干涉光信號進(jìn)行分析實(shí)現(xiàn)對外界突發(fā)聲波信號的定位[13-15]。如圖1-3為該系統(tǒng)原理圖。圖1-3基于SI的分布式聲波探測系統(tǒng)原理圖兩束光束反向傳播后，探測器探測到的功率為：01cos2PP(1-1)式中，CWCCW，CW、CCW分別為沿光纖環(huán)路順時(shí)針和逆時(shí)針傳播過程中引起的相移。其中，0P為入射到耦合器的功率。假設(shè)受聲波信號影響的區(qū)域遠(yuǎn)小于干涉儀的總長度，則相移可以表示為：12=+tt(1-2)是聲波信號作用于光纖上導(dǎo)致的時(shí)變相位，1、2分別代表兩束光沿圖1中R1、R2長度傳播所需時(shí)間，且12RRL。將式1-2帶入式1-1得：0121cos+2PPttt(1-3)如果作用在光纖上的單頻振動(dòng)信號引起的光相位變化為0=sinstwt，其中，t為某時(shí)刻由于光彈性效應(yīng)而產(chǎn)生的光相位移動(dòng)，0，sw為與擾動(dòng)源和光纖特性相關(guān)的常量。假定0為一個(gè)微小常量，=/2，那么式1-4中的交流分量為：00cossin22acssswwPtPwt(1-4)式中，12=+，2112=nRR/c，當(dāng)上式中：sin=0,,,2swN(1-5)


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