基于干涉和φ-OTDR復(fù)合的分布式光纖振動(dòng)傳感技術(shù)的研究.pdf

1、分布式光纖傳感是利用光纖作為傳感介質(zhì),能對(duì)沿光纖線路的對(duì)象進(jìn)行遠(yuǎn)程和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的技術(shù)。在長(zhǎng)距離安全監(jiān)測(cè)如天然氣輸送管道、石油管道監(jiān)控和民用設(shè)施的健康監(jiān)測(cè)如橋梁、大型建筑等方面有廣泛的應(yīng)用。到目前為止,國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要對(duì)分布式光纖振動(dòng)傳感的兩類(lèi)技術(shù)展開(kāi)廣泛研究:①基于干涉原理,②基于散射原理(如瑞利散射或布里淵散射技術(shù))。干涉型傳感技術(shù)的頻響非常高,它的信號(hào)解調(diào)方法還需要進(jìn)一步簡(jiǎn)化,空間分辨率也有待提高,更重要的是基于干涉原理的分布式振動(dòng)測(cè)量

2、技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)振動(dòng)源的同時(shí)定位和測(cè)量。另一方面,基于布里淵散射技術(shù)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量的頻響范圍很小,而基于瑞利散射的OTDR技術(shù)具有定位精確高、可進(jìn)行多點(diǎn)振動(dòng)定位、以及信號(hào)處理方法簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),由于后向瑞利散射光很弱,多次平均處理的結(jié)果使得對(duì)振動(dòng)的頻率響應(yīng)仍然不高。本項(xiàng)目提出的測(cè)量系統(tǒng)結(jié)合干涉技術(shù)以及φ-OTDR技術(shù)各自的優(yōu)點(diǎn),期望通過(guò)建立復(fù)合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高空間分辨率和高頻響的分布式振動(dòng)測(cè)量。
　　論文的主要工作如下:
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3、技術(shù)和OTDR技術(shù)的相關(guān)理論,為兩種技術(shù)的復(fù)合奠定了基礎(chǔ)。首先,根據(jù)光纖中后向瑞利散射的產(chǎn)生機(jī)理,通過(guò)建立離散模型描述φ-OTDR系統(tǒng)的工作原理,并且分析基于OTDR技術(shù)的分布式傳感系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn);其次,簡(jiǎn)要介紹干涉技術(shù)測(cè)量外界振動(dòng)的原理,同時(shí)分析基于干涉技術(shù)的分布式傳感系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)。最后,討論干涉技術(shù)和OTDR技術(shù)各自的光路特點(diǎn),通過(guò)光復(fù)用技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)兩者的結(jié)合。
　　②為了達(dá)到高空間分辨率和高頻響的振動(dòng)測(cè)量目的,提出基于干涉技

4、術(shù)和OTDR技術(shù)相結(jié)合的分布式振動(dòng)測(cè)量方法。通過(guò)波分復(fù)用技術(shù)將Michelson干涉和φ-OTDR技術(shù)結(jié)合,Michelson干涉實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的高頻分量測(cè)量,同時(shí)φ-OTDR技術(shù)可以獲得振動(dòng)位置信息和低頻分量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)20ns光脈沖打入1km傳感光纖時(shí),振動(dòng)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)可以達(dá)到~8MHz,同時(shí)空間分辨率也達(dá)到~2m。
　?、郐?OTDR系統(tǒng)對(duì)外界振動(dòng)很敏感,振動(dòng)點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)的瑞利曲線強(qiáng)度會(huì)發(fā)生急劇變化,而非振動(dòng)點(diǎn)位置的瑞

5、利曲線強(qiáng)度很平穩(wěn)?；诖?我們利用二維圖像邊緣檢測(cè)的方法用于振動(dòng)位置的提取,并且檢測(cè)算子在鄰域內(nèi)具有平均的效果,可以非常有效地提高振動(dòng)位置信號(hào)的信噪比,同時(shí)通過(guò)優(yōu)化算子矩陣大小可以提高振動(dòng)位置的空間分辨率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)光脈沖寬度為50ns時(shí),在1km傳感光纖上可以實(shí)現(xiàn)~3m的空間分辨率和~8.4dB的位置信號(hào)信噪比,極大地提高了φ-OTDR系統(tǒng)的性能。
　?、茴l率信息對(duì)于動(dòng)態(tài)振動(dòng)測(cè)量是一個(gè)重要的參數(shù)?？焖俑道锶~變換(FFT)只