光纖傳感系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、光纖傳感器具有體積小、耐腐蝕、不受電磁干擾、全光遠(yuǎn)距離測量等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，已得到充分研究，且進(jìn)入工程應(yīng)用階段。光纖光柵(FBG)傳感器由于制作成本低廉、易于復(fù)用、可對溫度、應(yīng)變等多種物理量傳感等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。而分布式光纖擾動(dòng)傳感技術(shù)具有靈敏度高、定位精度高、敷設(shè)方式簡單、無電傳感等優(yōu)點(diǎn)，在周界安防、建筑物安全監(jiān)測等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。本文面向應(yīng)用需求，對光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)和分布式光纖干涉型擾動(dòng)傳感與定位系統(tǒng)展開理論、實(shí)驗(yàn)與工

2、程應(yīng)用研究，具有重要的理論與實(shí)際意義。
　　 第二章針對FBG傳感系統(tǒng)實(shí)用化關(guān)鍵技術(shù)，以提高FBG傳感器波長解調(diào)精度為核心，重點(diǎn)分析了系統(tǒng)中各類光學(xué)器件對傳感精度的影響。在此基礎(chǔ)上，提出了雙路反饋補(bǔ)償式FBG解調(diào)技術(shù)，采用補(bǔ)償光源和可調(diào)諧濾波器提高了傳感系統(tǒng)精度。提出了基于斜率極值的FBG解調(diào)算法和多步長掃描策略，系統(tǒng)掃描頻率提高了1倍。設(shè)計(jì)了FBG高溫陣列傳感系統(tǒng)，研制出系統(tǒng)樣機(jī)，通過了江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院的檢測，系統(tǒng)測溫精度

3、達(dá)±0.5℃，溫度檢測上限達(dá)到200℃，己用于行波管管殼溫度的分布式檢測，滿足了應(yīng)用需求。
　　 第三章針對FBG傳感器工程應(yīng)用需求，深入研究FBG傳感網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)。從FBG傳感網(wǎng)絡(luò)生存性保證的角度出發(fā)，提出了FBG扇形子網(wǎng)模型。分析了該模型中不同結(jié)構(gòu)的主、從節(jié)點(diǎn)以及傳感支路的自愈性，討論了該模型對傳感系統(tǒng)功率代價(jià)、功率平衡和實(shí)時(shí)性影響。在此基礎(chǔ)上，討論了扇形子網(wǎng)的擴(kuò)展性，提出了專用反饋回路結(jié)構(gòu)，平衡了各子網(wǎng)間傳送的光功率。提出了

4、分級擴(kuò)展式FBG網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的支路調(diào)度模型和算法，提高了系統(tǒng)容納傳感支路數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對突發(fā)傳感任務(wù)的實(shí)時(shí)響應(yīng)。以上結(jié)果為FBG傳感網(wǎng)提供了可行的工程應(yīng)用方案。
　　 第四章基于光時(shí)域反射以及干涉技術(shù)，提出了窄帶連續(xù)波雙向干涉型分布式光纖擾動(dòng)傳感與定位光路，建立了擾動(dòng)傳感與定位模型和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，驗(yàn)證了系統(tǒng)功能，發(fā)現(xiàn)了傳感信號(hào)的頻率盲點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)型光路，通過動(dòng)態(tài)改變光纖延遲線的長度，實(shí)現(xiàn)了對0.5 Hz～20 kHz全

5、頻域擾動(dòng)信號(hào)傳感。提出了雙波長連續(xù)波單向白光干涉型分布式光纖擾動(dòng)傳感與定位光路，分析了該系統(tǒng)傳感、擾動(dòng)定位機(jī)理和頻域響應(yīng)特性，基于雙波長信道，有效降低了系統(tǒng)噪聲和偏振態(tài)的影響。研制了系統(tǒng)樣機(jī)，搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可檢測出小于1 mg/em的線壓力，傳感距離長達(dá)50km。
　　 第五章以分布式光纖擾動(dòng)傳感與定位技術(shù)工程應(yīng)用為目標(biāo)，面向周界安防需求，研制分布式光纖周界安防工程系統(tǒng)。從系統(tǒng)構(gòu)成、本底噪聲

6、、光纜敷設(shè)、布防區(qū)域內(nèi)自然環(huán)境影響、不同類別入侵信號(hào)等方面開展傳感信號(hào)與性能分析，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化光纖周界安防示范系統(tǒng)。試驗(yàn)了不同型號(hào)傳感光纜的性能差異以及自然環(huán)境對示范系統(tǒng)的影響，確定了傳感光纜型號(hào)。針對不同形式、不同位置的入侵?jǐn)_動(dòng)，提出并實(shí)驗(yàn)對比了四種定位算法，確定了包絡(luò)積分法的定位精度與傳感距離最佳。示范系統(tǒng)通過了北京圣濤平試驗(yàn)工程技術(shù)研究院的檢測認(rèn)證，傳感距離≤50 km，定位精度≤±50 m。該示范系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了特定位置語音監(jiān)