多參數(shù)分布式光纖傳感系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、分布式光纖傳感技術(shù)是利用光纖自身既作為信號傳輸介質(zhì)又作為傳感單元，從而獲取整個光纖路徑沿線的外部物理量的分布情況。分布式光纖傳感系統(tǒng)測量精度高，傳感距離長，并且具有較好的可靠性，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于長距離基礎(chǔ)設(shè)施的健康監(jiān)測。然而故障的發(fā)生通常表現(xiàn)為應(yīng)變或振動事件，抑或是環(huán)境溫度的改變等多種參量的變化，僅僅對單一物理量的監(jiān)測并不能確保對事故進行有效的預(yù)警和定位，因而多參數(shù)的分布式測量也顯得越來越重要，并逐漸成為分布式測量的一個發(fā)展趨勢。目前國內(nèi)

2、外對于多參數(shù)的分布式測量主要集中在應(yīng)力及溫度的同時測量，該原理是利用拉曼散射的溫度效應(yīng)及布里淵頻移隨應(yīng)變及溫度的變化量來實現(xiàn)。而對于分布式振動及溫度的同時測量還鮮有報道，本文結(jié)合瑞利散射及自發(fā)拉曼散射的OTDR系統(tǒng)實現(xiàn)了振動及溫度的分布式測量，并采用脈沖調(diào)制的方式獲得了高信噪比的拉曼散射信號，又避免非線性產(chǎn)生給測量帶來的影響。論文的主要工作如下：
　?、俑攀隽嘶谌鹄⑸涞恼駝觽鞲屑夹g(shù)及基于拉曼散射的溫度傳感技術(shù)的相關(guān)理論，為實現(xiàn)

3、兩種技術(shù)的結(jié)合奠定了理論知識。首先通過建立后向瑞利散射的離散模型描述了φ-OTDR系統(tǒng)的基本原理，而后從量子力學(xué)的角度闡釋了ROTDR系統(tǒng)的測溫原理，并對常用的溫度解調(diào)方法進行了介紹。討論了系統(tǒng)的各參數(shù)指標(biāo)對整體設(shè)計的要求，并在此基礎(chǔ)上分析了分布式振動及溫度傳感系統(tǒng)的可行性。
　?、趯Χ鄥?shù)分布式光纖傳感系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及主要器件進行了實驗研究。通過對不同脈沖參數(shù)下得到的振動及溫度測量結(jié)果進行分析，認為高功率的脈沖光可以獲得高信噪比

4、的自發(fā)拉曼散射信號，但同時會產(chǎn)生非線性效應(yīng)導(dǎo)致振動測量難以實現(xiàn)，如若降低探測脈沖光功率則會較大地影響系統(tǒng)的測溫精度。因此，認為采用合適的調(diào)制脈沖方式對于實現(xiàn)振動及溫度的同時測量和提高系統(tǒng)性能是及其關(guān)鍵的。
　?、蹫榱藢崿F(xiàn)分布式光纖振動及溫度的同時測量，利用聲光調(diào)制器連續(xù)產(chǎn)生的高、低功率的探測光脈沖，并通過高功率的脈沖光產(chǎn)生的拉曼散射進行溫度解調(diào)，通過低功率的脈沖光產(chǎn)生的瑞利散射進行振動解調(diào)。在1.2km的傳感光纖上實現(xiàn)了空間分辨率

5、為5.8m，振動頻率為1kHz及10kHz的振動測量，同時還實現(xiàn)了空間分辨率為4.8m，測溫精度約±3℃的溫度測量。
　　④對于實驗中所采用的脈沖調(diào)制方式，將會影響振動測量的頻率響應(yīng)范圍。由于振動是快速變化的動態(tài)信號，而溫度則是一個緩變的信號，因而文章提出一種改進的脈沖調(diào)制方法，以減小溫度探測脈沖的重復(fù)頻率為代價來增大振動探測脈沖的重復(fù)頻率，這樣既能使振動測量的頻響范圍不受影響，同時也能滿足溫度測量的要求。
　　通過實驗研究