【摘要】：光纖傳感技術(shù)是光纖通信技術(shù)的一個重要應(yīng)用分支,光纖傳感器憑借其輕質(zhì)、緊湊、無緣、耐腐蝕、抗電磁干擾、易于組網(wǎng)等顯著優(yōu)勢,已被廣泛應(yīng)用于航空航天、重大工程設(shè)施、國防安全、生物醫(yī)療、資源勘探、災(zāi)害監(jiān)測等領(lǐng)域。近年來,為滿足大范圍多點檢測的應(yīng)用需求,分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)運而生。面向長距離、大容量、高精度、快響應(yīng)的發(fā)展趨勢,廣大科研工作者從傳感新機理入手,結(jié)合新制備工藝及新解調(diào)算法,推動分布式光纖傳感技術(shù)的功能革新,進(jìn)而拓展更為廣闊的應(yīng)用前景。本論文立足于光纖傳感的技術(shù)特點,面向光纖準(zhǔn)分布式傳感技術(shù)的應(yīng)用需求,對光纖準(zhǔn)分布式傳感機理、大容量復(fù)用特性、高性能探測方法、低成本應(yīng)用平臺、高精度解調(diào)算法等方面進(jìn)行了深入研究,設(shè)計出具備不同優(yōu)點的準(zhǔn)分布式傳感系統(tǒng),滿足面向性能和成本的應(yīng)用需求,并具備良好的擴展性,主要研究成果如下:(1)光纖微結(jié)構(gòu)單元光學(xué)機理和制備:基于耦合模理論和傳輸矩陣?yán)碚搶饫w布拉格光柵傳感器的形成機理進(jìn)行了分析,將光纖長度、折射率、光柵周期和光纖調(diào)制深度對光譜的影響進(jìn)行仿真研究,研究光纖光柵傳感器的溫度和應(yīng)力傳感特性。分析弱光柵法布里-珀羅光纖微結(jié)構(gòu)傳感單元的光學(xué)特性,對其光譜進(jìn)行了分析,并將傳感參量和腔長對光程差的影響進(jìn)行了研究和仿真。最后提出了光纖微結(jié)構(gòu)傳感單元的概念和基于微結(jié)構(gòu)的光時域反射(M-OTDR)技術(shù),并闡述了光纖微結(jié)構(gòu)單元的連續(xù)制備方法,從而為傳感器的大規(guī)模復(fù)用組網(wǎng)提供技術(shù)基礎(chǔ)。(2)光纖微結(jié)構(gòu)復(fù)用:針對主流的時分復(fù)用、波分復(fù)用和頻分復(fù)用等多種傳感器復(fù)用方式分別進(jìn)行了分析,傳感器復(fù)用能有效提升準(zhǔn)分布式光纖傳感的規(guī)模,降低單個傳感器的采集成本。對每種復(fù)用模式提出傳感調(diào)制解調(diào)方案,時分復(fù)用的局限性在于對反射率要求高,多徑串?dāng)_帶來信號的重疊;波分復(fù)用規(guī)模嚴(yán)重受制于光源及系統(tǒng)帶寬;頻分復(fù)用對解調(diào)系統(tǒng)的精度要求高。提出了基于微結(jié)構(gòu)傳感單元的多域復(fù)用,通過對微結(jié)構(gòu)光纖時分/波分/頻分三維編碼,實現(xiàn)傳感單元數(shù)量的指數(shù)上升,多域復(fù)用也帶來光譜復(fù)雜性的明顯提高,對解調(diào)系統(tǒng)的精度、速度和成本也提出更高的要求。(3)多域并行快速高精度解調(diào)技術(shù):根據(jù)多域復(fù)用系統(tǒng)的高速及高精度解調(diào)要求,提出基于掃描濾波器的多域并行快速解調(diào)算法。分析法布里-珀羅掃描濾波器采樣機理和控制邏輯,選用高速高精度掃描濾波器,提出分段并行解調(diào)算法。針對系統(tǒng)的復(fù)用容量、解調(diào)速度和解調(diào)精度進(jìn)行了分析,理論上最高可以實現(xiàn)8000個單元的復(fù)用解調(diào)。最后,基于NI5781平臺完成了解調(diào)系統(tǒng)的搭建,并應(yīng)用于波分/頻分二維復(fù)用微結(jié)構(gòu)光纖傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了實驗測試,最終通過溫度實驗驗證了3pm的波長檢測精度和±0.4°C的溫度檢測精度,通過振動實驗驗證了500Hz的解調(diào)速度。證明該方法的高速、高精度解調(diào)性能,隨著器件升級和解調(diào)算法更新,系統(tǒng)的復(fù)用容量、解調(diào)速度、解調(diào)精度等性能指標(biāo)還有望進(jìn)一步提升。(4)基于解析模態(tài)分解法的大容量高精度解調(diào):針對超大容量光纖微結(jié)構(gòu)準(zhǔn)分布式傳感的高精度解調(diào)需求,提出并實現(xiàn)了基于解析模態(tài)分解法的高密度頻分復(fù)用傳感網(wǎng)的信號解調(diào)方法。通過對解析模態(tài)分解法的理論分析,建立了微結(jié)構(gòu)傳感單元的頻分復(fù)用解調(diào)方法,并對其進(jìn)行了仿真分析。對比了快速傅里葉變換法、小波變換法、解析模態(tài)分解法等三種方法的解調(diào)效果,發(fā)現(xiàn)相比于快速傅里葉變換法方法,解析模態(tài)分解法能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)用容量提升5倍以上,信號解調(diào)還原度能夠提升至少90倍以上。最后,通過分布式應(yīng)力實驗證明了解析模態(tài)分析法的擴容能力和高精度探測能力。該方法不涉及硬件升級帶來的成本增加,僅通過算法有效提升傳感網(wǎng)復(fù)用容量。(5)基于銦鎵砷探測器的低成本快速解調(diào)技術(shù):針對微結(jié)構(gòu)光纖準(zhǔn)分布式傳感的低成本解調(diào)需求,深入分析了基于銦鎵砷探測器的解調(diào)機理,通過相位光柵分光和銦鎵砷探測器的光譜分辨能力,實現(xiàn)多光譜波長信息的讀取。隨后設(shè)計了波分/頻分/時分多維復(fù)用系統(tǒng),采用基于銦鎵砷探測器的波長解調(diào)模塊進(jìn)行了溫度傳感實驗,實驗結(jié)果證明基于銦鎵砷的解調(diào)系統(tǒng)可以實現(xiàn)信號準(zhǔn)確恢復(fù),線性度達(dá)到0.999以上�；阢熸壣樘綔y器的解調(diào)系統(tǒng)具有成本低、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點,而且隨著銦鎵砷器件的速度和像素隨著技術(shù)的發(fā)展都可以得到大幅度的提升,能有效的繼續(xù)提高探測精度和系統(tǒng)復(fù)用容量,并最終降低單個傳感單元解調(diào)成本。
【圖文】：

并著重對幾類傳感解調(diào)方法進(jìn)行了綜述，最后介紹本論文的主要工作。2 分布式與準(zhǔn)分布式光纖傳感器.1 光纖全分布式傳感器光纖分布式傳感器可以對光纖任意一點的溫度、應(yīng)變和振動進(jìn)行實時測量，提供纖連續(xù)分布的物理量變化情況[34]。因此光纖分布式傳感器被廣泛應(yīng)用于地震預(yù)測型基礎(chǔ)設(shè)施健康監(jiān)測等大范圍物理場測量領(lǐng)域[36]�，F(xiàn)有的光纖分布式傳感器主要是各種光時域反射儀（Optical Time Domain Reflectomete，OTDR），這些技術(shù)實現(xiàn)原圖 1-1 所示，，通過將光脈沖注入到光纖中，利用光脈沖信號的后向散射光在光纖中輸時間和散射光光性能參數(shù)隨外界環(huán)境參量變化的關(guān)系，實現(xiàn)對光纖沿線待測環(huán)境的分布式檢測[16]。分布式光纖傳感技術(shù)具有無源感知、連續(xù)長距離傳感、抗電磁干同時進(jìn)行傳輸和傳感等特殊優(yōu)勢。根據(jù)后向散射光的不同，分布式光纖傳感器可以相干 OTDR（C-OTDR），布里淵 OTDR（B-OTDR）和拉曼 OTDR（R-OTDR）。環(huán)形器

華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文1.2.1.1 瑞利散射光纖中的瑞利散射主要來源于制備過程中光纖折射率的局部突變，這些引起后向散射的離散散射體沿著光纖均勻分布[37]。OTDR 就是利用瑞利散射光進(jìn)行傳感定位和信息提取[38]。不同于主要用于光纖損耗和斷點檢測的傳統(tǒng)非相干 OTDR[39]，基于瑞利散射的分布式傳感器主要采用相干光對光纖進(jìn)行探測，所以也被稱為相干 OTDR（C-OTDR）[40]，隨著施加的溫度或者應(yīng)變的變化，光脈沖在光纖散射體之間的傳輸時間關(guān)系發(fā)生了變化，從而引起散射脈沖光的相位發(fā)生發(fā)變化。通過檢測散射光強的相位信息，可以提取沿光纖分布的溫度與應(yīng)變信息[41,42,43]。2017 年，德國聯(lián)邦材料研究與測試研究所的 Sascha Lieher，報道了一種采用雙波長相干 OTDR 的物理量相對變化測量系統(tǒng)，其系統(tǒng)原理圖如圖 1-2 所示[44]。分布式反饋激光器摻鉺光纖放大器光放大器 環(huán)形器待測光纖
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN911.3;TP212

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2652501