【摘要】：分布式光纖傳感技術(shù)由于其具有長距離、大范圍、多參量傳感、精度高的特點(diǎn),被廣泛的應(yīng)用于大型土木工程、光纖通訊、電力工業(yè)等大范圍、長距離、高危險(xiǎn)領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中。溫度和振動作為靜態(tài)參量和動態(tài)參量的兩個(gè)典型參量,對于它們的分布式監(jiān)測受到了廣泛的關(guān)注。基于布里淵散射的光時(shí)域反射技術(shù)(BOTDR)和基于相干瑞利散射的相位敏感光時(shí)域反射技術(shù)(Φ-OTDR)是兩種十分重要的光纖傳感技術(shù)。BOTDR能夠同時(shí)解調(diào)光纖沿路的溫度和應(yīng)變分布；Φ-OTDR可以實(shí)現(xiàn)對振動的多點(diǎn)分辨。這使得這兩種技術(shù)受到了關(guān)注,他們應(yīng)用于分布式傳感方面的研究被廣泛的報(bào)道,并且越來越成熟。但是這兩項(xiàng)技術(shù)仍舊存在一定的局限性。BOTDR系統(tǒng)由于布里淵信號光十分微弱,溫度測試精度和傳感距離受到了限制。而在傳統(tǒng)的Φ-OTDR系統(tǒng)中,光源的波長是固定的,此時(shí)產(chǎn)生的相干瑞利散射信號僅對振動敏感,所以系統(tǒng)的傳感參數(shù)單一,且受限于脈沖重復(fù)周期,頻率響應(yīng)范圍存在局限性。針對這些問題,本文的主要研究工作如下：1.為了獲得高動態(tài)范圍和高空間分辨率的分布式溫度傳感系統(tǒng),設(shè)計(jì)了一種基于單光子探測技術(shù)的布里淵分布式溫度傳感系統(tǒng)。利用單光子探測技術(shù),可以解決BOTDR中微弱光探測的問題。該系統(tǒng)利用瑞利散射光與布里淵反斯托斯克光強(qiáng)度的比值(RASR)對光纖沿線的溫度進(jìn)行測試。采用光纖光柵(FBG)濾波器串從背向散射光中提取出布里淵信號光。經(jīng)過濾波器后,布里淵散射光相對于背向瑞利散射光具有23dB的抑制比。在對脈沖光不進(jìn)行任何放大的前提下,該系統(tǒng)獲得了18dB的動態(tài)范圍(相當(dāng)于90km的傳感距離),溫度測試誤差小于1℃。此外,該系統(tǒng)能夠同時(shí)獲得1.2m的空間分辨率,2.28℃的溫度測試誤差和8.5dB的動態(tài)范圍(相當(dāng)于42.5km的傳感距離)。2.為了能夠使分布式傳感系統(tǒng)能夠同時(shí)對溫度和振動敏感,設(shè)計(jì)了一種融合Φ-OTDR與FBG對的溫度/振動同時(shí)傳感系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中,FBG對的結(jié)構(gòu)使得弱反射、具有高斯反射譜的FBG對能夠像濾波器一般將溫度造成FBG波長的改變變成反射光功率的變化。這種方式使得將組成FBG對的兩個(gè)具有相同性質(zhì)的弱反射FBG嵌入到傳感光纖中,Φ-OTDR系統(tǒng)中的窄線寬激光器便可以用作FBG對的工作激光器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這個(gè)融合系統(tǒng)能夠在20.4km的傳感光纖上,以10m的空間分辨率實(shí)現(xiàn)了對81Hz擾動事件的測試,事件定位的信噪比達(dá)到了7.5dB。同時(shí)系統(tǒng)還能夠?qū)崿F(xiàn)多點(diǎn)溫度的傳感,溫度測試精度達(dá)到了0.12℃。3.為了拓展基于Φ-OTDR的分布式振動傳感系統(tǒng)的頻率響應(yīng)能力,提出了一種單端的融合馬赫-澤德干涉儀(MZI)和Φ-OTDR的寬譜振動傳感系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中,我們同時(shí)將不同頻率的脈沖光和連續(xù)光注入到傳感光纖中。在光纖末端,我們設(shè)計(jì)了一個(gè)頻移反射鏡(FSM)使得連續(xù)光能夠反向傳輸回至光纖前端。這樣將使得背向散射的瑞利散射光和反向傳輸?shù)倪B續(xù)光都能夠與本振光在光纖前端相干,從而構(gòu)成了一個(gè)單端的傳感系統(tǒng)�；陬l分復(fù)用技術(shù)的原理,瑞利散射光和MZI獲得的干涉信號能夠通過不同中心頻率的數(shù)字帶通濾波器進(jìn)行區(qū)分,因此Φ-OTDR和MZI可以毫無干擾的同時(shí)工作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠在6.35km的傳感光纖上實(shí)現(xiàn)振動的定位,頻率響應(yīng)能夠達(dá)到1.2MHz。這個(gè)單端的系統(tǒng)能夠獲得振動的定位以及具有較寬的頻率響應(yīng)范圍,能夠廣泛的應(yīng)用于基礎(chǔ)通訊和交通的健康監(jiān)測中。
[Abstract]:......
【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

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