本文選題：分布式傳感 + 多參數(shù)　； 參考：《重慶大學(xué)》2015年碩士論文

【摘要】：分布式光纖傳感技術(shù)是利用光纖自身既作為信號(hào)傳輸介質(zhì)又作為傳感單元,從而獲取整個(gè)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(cè)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(cè)。然而故障的發(fā)生通常表現(xiàn)為應(yīng)變或振動(dòng)事件,抑或是環(huán)境溫度的改變等多種參量的變化,僅僅對(duì)單一物理量的監(jiān)測(cè)并不能確保對(duì)事故進(jìn)行有效的預(yù)警和定位,因而多參數(shù)的分布式測(cè)量也顯得越來越重要,并逐漸成為分布式測(cè)量的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。目前國內(nèi)外對(duì)于多參數(shù)的分布式測(cè)量主要集中在應(yīng)力及溫度的同時(shí)測(cè)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(shí)現(xiàn)。而對(duì)于分布式振動(dòng)及溫度的同時(shí)測(cè)量還鮮有報(bào)道,本文結(jié)合瑞利散射及自發(fā)拉曼散射的OTDR系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)及溫度的分布式測(cè)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(hào),又避免非線性產(chǎn)生給測(cè)量帶來的影響。論文的主要工作如下:①概述了基于瑞利散射的振動(dòng)傳感技術(shù)及基于拉曼散射的溫度傳感技術(shù)的相關(guān)理論,為實(shí)現(xiàn)兩種技術(shù)的結(jié)合奠定了理論知識(shí)。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(cè)溫原理,并對(duì)常用的溫度解調(diào)方法進(jìn)行了介紹。討論了系統(tǒng)的各參數(shù)指標(biāo)對(duì)整體設(shè)計(jì)的要求,并在此基礎(chǔ)上分析了分布式振動(dòng)及溫度傳感系統(tǒng)的可行性。②對(duì)多參數(shù)分布式光纖傳感系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及主要器件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過對(duì)不同脈沖參數(shù)下得到的振動(dòng)及溫度測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析,認(rèn)為高功率的脈沖光可以獲得高信噪比的自發(fā)拉曼散射信號(hào),但同時(shí)會(huì)產(chǎn)生非線性效應(yīng)導(dǎo)致振動(dòng)測(cè)量難以實(shí)現(xiàn),如若降低探測(cè)脈沖光功率則會(huì)較大地影響系統(tǒng)的測(cè)溫精度。因此,認(rèn)為采用合適的調(diào)制脈沖方式對(duì)于實(shí)現(xiàn)振動(dòng)及溫度的同時(shí)測(cè)量和提高系統(tǒng)性能是及其關(guān)鍵的。③為了實(shí)現(xiàn)分布式光纖振動(dòng)及溫度的同時(shí)測(cè)量,利用聲光調(diào)制器連續(xù)產(chǎn)生的高、低功率的探測(cè)光脈沖,并通過高功率的脈沖光產(chǎn)生的拉曼散射進(jìn)行溫度解調(diào),通過低功率的脈沖光產(chǎn)生的瑞利散射進(jìn)行振動(dòng)解調(diào)。在1.2km的傳感光纖上實(shí)現(xiàn)了空間分辨率為5.8m,振動(dòng)頻率為1k Hz及10k Hz的振動(dòng)測(cè)量,同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了空間分辨率為4.8m,測(cè)溫精度約±3℃的溫度測(cè)量。④對(duì)于實(shí)驗(yàn)中所采用的脈沖調(diào)制方式,將會(huì)影響振動(dòng)測(cè)量的頻率響應(yīng)范圍。由于振動(dòng)是快速變化的動(dòng)態(tài)信號(hào),而溫度則是一個(gè)緩變的信號(hào),因而文章提出一種改進(jìn)的脈沖調(diào)制方法,以減小溫度探測(cè)脈沖的重復(fù)頻率為代價(jià)來增大振動(dòng)探測(cè)脈沖的重復(fù)頻率,這樣既能使振動(dòng)測(cè)量的頻響范圍不受影響,同時(shí)也能滿足溫度測(cè)量的要求。通過實(shí)驗(yàn)研究表明,利用脈沖調(diào)制的方式,可有效避免非線性效應(yīng)帶來的影響并同時(shí)提高系統(tǒng)的信噪比,從而實(shí)現(xiàn)結(jié)合瑞利散射及拉曼散射的多參數(shù)分布式傳感系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單且成本較低,進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能將在未來的實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮出更大的作用及價(jià)值。
[Abstract]:The distributed optical fiber sensing technology uses the optical fiber itself as a signal transmission medium and as a sensing unit, thus obtaining the distribution of the external physical quantity along the whole fiber path. The distributed optical fiber sensing system has high measurement precision, long sensing distance and good reliability. It has been widely used in long distance infrastructure. However, the occurrence of a fault is usually shown as a strain or a vibration event, or a change in a variety of parameters, such as the change of the ambient temperature. Only the monitoring of a single physical quantity can not ensure an effective early warning and location for the accident. Therefore, the distributed measurement of multiple parameters is becoming more and more important and gradually distributed. At present, the distributed measurement of multi parameters is mainly focused on the simultaneous measurement of stress and temperature at home and abroad. The principle is to make use of the temperature effect of Raman scattering and the variation of Brillouin frequency shift with the variation of strain and temperature. The OTDR system of Rayleigh scattering and spontaneous Raman scattering realizes the distributed measurement of vibration and temperature. The Raman scattering signal with high signal to noise ratio is obtained by pulse modulation, and the influence of nonlinear generation is avoided. The main work of this paper is as follows: (1) the vibration sensing technology and base based on Rayleigh scattering are described. The theory of temperature sensing technology of Raman scattering has laid a theoretical knowledge for the realization of the combination of the two technologies. Firstly, the basic principle of the -OTDR system is described by the discrete model of the backward Rayleigh scattering, then the temperature measurement principle of the ROTDR system is explained from the angle of quantum mechanics, and the commonly used temperature demodulation methods are carried out. The requirements for the overall design of the parameters of the system are discussed, and the feasibility of the distributed vibration and temperature sensing system is analyzed on this basis. 2. The key technologies and main components of the multi parameter distributed optical fiber sensing system are experimentally studied. The vibration and temperature measurements obtained under different pulse parameters are measured. The result is that the high power pulse light can obtain the spontaneous Raman scattering signal with high signal to noise ratio, but the nonlinear effect causes the vibration measurement to be difficult to be realized. If the detection pulse light power is reduced, the temperature measurement precision will be greatly affected. Therefore, it is considered that the appropriate modulation pulse mode is used to realize the vibration. To measure and improve the performance of the system at the same time and temperature is the key. (3) in order to realize the simultaneous measurement of distributed optical fiber vibration and temperature, the high, low power detection optical pulse generated by the acoustooptic modulator is used continuously, and the temperature is demodulated by the Raman scattering produced by high power pulse light, and the low power pulse light is produced. The vibration demodulation is carried out by Rayleigh scattering. The spatial resolution of 1.2km is 5.8m, the vibration frequency is 1K Hz and 10K Hz, and the spatial resolution is 4.8m, and the temperature measurement accuracy is about 3 C. 4. The pulse pulse modulation method used in the experiment will affect the frequency of vibration measurement. The response range. Because the vibration is a fast changing dynamic signal and the temperature is a slow change signal, a modified pulse modulation method is proposed to increase the repetition frequency of the vibration detection pulse at the cost of reducing the repetition rate of the temperature detection pulse, so that the frequency response range of the vibration measurement is not affected. It can also meet the requirements of temperature measurement. Through the experimental study, it is shown that the influence of the nonlinear effect can be avoided and the signal to noise ratio of the system can be improved by pulse modulation, and the multi parameter distributed sensing system combining Rayleigh scattering and Raman scattering is realized. The system is simple in structure and low in cost, and is further proposed. High system performance will play a greater role and value in future practical applications.

【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN253

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本文編號(hào)：1828744