本文關(guān)鍵詞：Φ-OTDR偏振相關(guān)噪聲及多點(diǎn)高頻探測研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：相位敏感光時(shí)域反射計(jì)(Φ-OTDR)是一種利用光纖中后向瑞利散射光的分布式光纖傳感技術(shù)。瑞利散射光與布里淵散射光、拉曼散射光相比,其信號功率高,探測時(shí)所需平均次數(shù)較少,因此Φ-OTDR具有響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。Φ-OTDR通過光纖中瑞利相干衰落效應(yīng)進(jìn)行傳感,而影響瑞利相干衰落的是光纖中光的相對相位,只要外界擾動(dòng)事件引起光纖長度在波長級別的變化就能被Φ-OTDR捕捉,所以Φ-OTDR也具有靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。Φ-OTDR是探測動(dòng)態(tài)擾動(dòng)事件的重要手段,它可以獲取動(dòng)態(tài)擾動(dòng)事件的位置與頻率等信息。但是隨著Φ-OTDR在工程應(yīng)用中地不斷深入,Φ-OTDR的兩個(gè)缺陷也顯現(xiàn)出來。Φ-OTDR一般被認(rèn)為是只對相位敏感,但是實(shí)際中的Φ-OTDR還對偏振態(tài)敏感。傳統(tǒng)的Φ-OTDR一維脈沖響應(yīng)模型假設(shè)探測光脈沖內(nèi)部的偏振態(tài)是一致的。但是實(shí)際中光纖的雙折射特性使得光脈沖內(nèi)部的偏振態(tài)并不能保持一致,所以這種假設(shè)是不準(zhǔn)確的。如果外界擾動(dòng)事件通過擠壓、扭轉(zhuǎn)或彎曲等作用于傳感光纖,這會(huì)引起光纖本身雙折射特性的變化。當(dāng)探測光脈沖通過該擾動(dòng)事件時(shí),光脈沖的偏振態(tài)便會(huì)受到調(diào)制,且該擾動(dòng)事件之后的光脈沖偏振演化規(guī)律也就被擾亂,如此將會(huì)產(chǎn)生偏振相關(guān)噪聲。偏振相關(guān)噪聲會(huì)疊加在該擾動(dòng)事件之后的所有瑞利散射信號中,最終惡化Φ-OTDR的分布式傳感功能。本文將探測光脈沖內(nèi)部偏振態(tài)相異因素引入Φ-OTDR理論模型,解釋Φ-OTDR偏振相關(guān)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理,在一定程度上完善了Φ-OTDR的理論模型。為了抑制偏振相關(guān)噪聲,提出基于正交脈沖(OSPP) Φ-OTDR探測方法,建立了基于OSPP的Φ-OTDR的理論模型,設(shè)計(jì)并搭建了OSPP的Φ-OTDR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果均驗(yàn)證了OSPP方法抑制Φ-OTDR偏振相關(guān)噪聲的可行性。實(shí)驗(yàn)中,在1.5km傳感光纖上設(shè)置了頻率為3Hz的光纖微彎擾動(dòng)和5Hz的光纖拉伸擾動(dòng)。微彎擾動(dòng)改變了光纖的雙折射特性,產(chǎn)生的偏振相關(guān)噪聲覆蓋在微彎擾動(dòng)之后的所有瑞利散射信號中,最終導(dǎo)致無法判別拉伸擾動(dòng)的信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示OSPP方法的偏振相關(guān)噪聲抑制比達(dá)到9.2 dB,同時(shí)能夠清晰判別拉伸擾動(dòng)的信息。Φ-OTDR探測擾動(dòng)事件頻率的上限受到傳感光纖長度限制,目前Φ-OTDR很難實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)高頻探測。為了突破光纖長度對Φ-OTDR可探測頻率上限的限制,且同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)多點(diǎn)高頻擾動(dòng)事件的探測,提出基于長短時(shí)分復(fù)用(TDM)脈沖Φ-OTDR的探測方法。為了詳細(xì)闡述該方法,建立長脈沖Φ-OTDR理論模型,其中包含了偏振、脈沖內(nèi)損耗和頻漂等影響因素。該模型揭示了不同時(shí)刻實(shí)際參與瑞利散射信號疊加的散射點(diǎn)數(shù)是不同的,并分析了瑞利散射信號受到多點(diǎn)擾動(dòng)事件相位調(diào)制的過程和結(jié)果,這在一定程度上也是對傳統(tǒng)Φ-OTDR理論模型的完善。為了驗(yàn)證多點(diǎn)高頻探測方案的可行性,設(shè)計(jì)并搭建了基于長短TDM脈沖Φ-OTDR系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)中傳感光纖為7.5km,其中在500m與5.5km處分別添加了頻率為100 kHz與65 kHz的高頻擾動(dòng)事件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,該方案成功解調(diào)出了100 kHz與65 kHz高頻擾動(dòng)事件的頻率及它們各自對應(yīng)的位置。本文針對Φ-OTDR兩個(gè)應(yīng)用缺陷,分別研究了Φ-OTDR偏振相關(guān)噪聲產(chǎn)生機(jī)理和多點(diǎn)高頻探測原理,相應(yīng)提出OSPP方法抑制Φ-OTDR偏振相關(guān)噪聲與長短TDM脈沖實(shí)現(xiàn)Φ-OTDR多點(diǎn)高頻探測的兩種方案,并且理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果均驗(yàn)證了這兩種方案的可行性。這兩種方案不僅拓展了Φ-OTDR應(yīng)用范圍,且其建立的方案理論均在一定程度上完善了傳統(tǒng)的Φ-OTDR理論模型。
【關(guān)鍵詞】：分布式光纖傳感技術(shù) 相位敏感光時(shí)域反射計(jì) 瑞利散射光 偏振相關(guān)性 多點(diǎn)高頻探測
【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】：2016
【分類號】：TP212
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 緒論11-23
• 1.1 光纖傳感技術(shù)概況11-13
• 1.2 基于Rayleigh的分布式光纖傳感技術(shù)簡介13-16
• 1.3 Φ-OTDR研究現(xiàn)狀16-19
• 1.4 本論文的研究背景及主要工作19-23
• 1.4.1 本論文的研究背景19-21
• 1.4.2 本論文的主要工作21-23
• 第二章 相位敏感光時(shí)域反射計(jì)的基本原理23-35
• 2.1 Φ-OTDR理論模型23-27
• 2.2 Φ-OTDR系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)27-28
• 2.3 Φ-OTDR系統(tǒng)主要性能及噪聲28-34
• 2.3.1 Φ-OTDR主要性能參數(shù)28-33
• 2.3.2 Φ-OTDR系統(tǒng)主要噪聲33-34
• 2.4 本章小節(jié)34-35
• 第三章 Φ-OTDR偏振相關(guān)噪聲及其抑制方法35-49
• 3.1 Φ-OTDR偏振相關(guān)噪聲產(chǎn)生機(jī)理35-39
• 3.1.1 Φ-OTDR偏振相關(guān)噪聲機(jī)理分析35-37
• 3.1.2 Φ-OTDR偏振相關(guān)噪聲產(chǎn)生機(jī)理的驗(yàn)證37-39
• 3.2 基于OSPP方案抑制Φ-OTDR偏振相關(guān)噪聲39-45
• 3.2.1 OSPP方案機(jī)理分析39-41
• 3.2.2 基于OSPP方案可行性驗(yàn)證41-45
• 3.3 OSPP方案討論45-47
• 3.4 本章小結(jié)47-49
• 第四章 基于長短TDM脈沖Φ-OTDR多點(diǎn)高頻探測49-67
• 4.1 長脈沖Φ-OTDR信號與OTDR信號49-52
• 4.2 長脈沖Φ-OTDR探測原理52-55
• 4.2.1 長脈沖Φ-OTDR單點(diǎn)擾動(dòng)模型52-53
• 4.2.2 長脈沖Φ-OTDR多點(diǎn)擾動(dòng)模型53-55
• 4.3 長短TDM脈沖Φ-OTDR多點(diǎn)高頻探測分析55-58
• 4.3.1 長短TDM脈沖設(shè)計(jì)方案55-57
• 4.3.2 長短TDM脈沖Φ-OTDR頻率探測性能分析57-58
• 4.4 長短TDM脈沖Φ-OTDR多點(diǎn)高頻探測結(jié)果58-64
• 4.4.1 單點(diǎn)高頻擾動(dòng)探測60-62
• 4.4.2 多點(diǎn)高頻擾動(dòng)探測62-64
• 4.5 本章小節(jié)64-67
• 第五章 總結(jié)與展望67-69
• 5.1 總結(jié)67-68
• 5.2 展望68-69
• 致謝69-71
• 攻讀碩士學(xué)位期間取得的成果71-73
• 參考文獻(xiàn)73-78

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