【摘要】：在傳統(tǒng)傳感技術的傳感方式、傳感靈敏度和實時性等方面均出現(xiàn)瓶頸期的情況下,光纖傳感技術作為一種新型傳感技術,以光纖為傳感介質,具有靈敏度高、傳播帶寬大、實時性強等優(yōu)勢,在建筑工程、石油化工、生物醫(yī)療等領域應用前景巨大。其中光纖Φ-OTDR振動檢測系統(tǒng)利用光纖傳感技術,解決了傳統(tǒng)振動檢測中存在檢測盲區(qū)、組網復雜等問題,具有傳感距離長、覆蓋范圍廣、靈敏度高等特性,廣泛應用在周邊安防監(jiān)控、石油和煤氣管道安全監(jiān)測等諸多領域。但是目前的Φ-OTDR振動檢測設備結構復雜,為保證系統(tǒng)空間分辨率和信噪比等指標,其數(shù)據采集系統(tǒng)需要保持信號高速采集,這就帶來了數(shù)據量龐大且傳輸時間長等問題,導致設備體積大、造價高、更新升級困難。為此本文通過分析Φ-OTDR振動檢測系統(tǒng)中的瑞利后向散射信號,設計了一套數(shù)據采集方案,優(yōu)化了數(shù)據處理算法并制作出樣機,在保證Φ-OTDR振動檢測系統(tǒng)性能的同時極大的減少了設備體積,降低了成本。具體研究內容如下所示:(1)研究光纖中瑞利后向散射信號的原理,在此基礎上對Φ-OTDR振動檢測系統(tǒng)進行理論分析并研究其相干探測原理。研究系統(tǒng)的主要參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。確定了以FPGA為主控的Φ-OTDR振動檢測系統(tǒng)的信號采集方案。(2)根據本文設計的數(shù)據采集方案,將數(shù)據采集系統(tǒng)按照功能電路分類,并分別對其進行芯片選型和電路設計。為實現(xiàn)高速穩(wěn)定可靠的數(shù)據傳輸,對關鍵信號線進行了專門的SI(信號完整性)設計。并在PCB上進行了功能驗證和性能測試。(3)在搭建的硬件平臺上進行軟件設計。按照自上而下的思路對軟件進行功能模塊劃分。同時在軟件設計過程中對系統(tǒng)算法進行了優(yōu)化,解決了IQ解調算法中數(shù)據取正和差分累加算法中N值選取等問題。在減少系統(tǒng)數(shù)據量的情況下提高了信噪比,并完成系統(tǒng)的原型驗證和功能優(yōu)化。(4)在實驗室和高速公路隧道分別進行模擬振動實驗和車輛振動檢測。在模擬振動實驗中,傳感光纖長度為2.8km,系統(tǒng)的信噪比為14.8dB;空間分辨率為30m;刷新率為1Hz,動態(tài)響應良好。在車輛振動檢測中,光纖長度為3km,測試效果良好,同樣也檢測到了振動信號。證明本文設計的數(shù)據采集系統(tǒng)性能良好,設計方案有效,滿足Φ-OTDR振動檢測系統(tǒng)中信號采集和處理的功能。
【學位授予單位】：桂林電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TP212
【圖文】：

現(xiàn)實生活中的瑞利散射的現(xiàn)象如：天空呈現(xiàn)藍色、晚霞呈現(xiàn)紅橙色在制作過程中由于熱擾動或機械振動的原因使得光纖密度不均勻，雜質的影響，引起折射率的不均勻。這種折射率的不均勻使得光波中發(fā)生瑞利散射。同時由于光纖對光波的束縛，光纖中的瑞利散射兩個傳播方向。脈沖光的脈寬W 與其瑞利散射功率RP 滿足公式：2vPPSWRs P 表示脈沖光的峰值功率；S 表示后向散射光功率捕獲因子；s 表v表示光在光纖中的速度。 2-1 所示，入射光在光纖中向前傳輸時，會在傳播路線上與光纖中瑞利后向散射光。由于光纖中存在損耗，使得光波在光纖傳輸中存公式（2-1）可知，峰值功率的衰減使得光纖不同位置處的瑞利后同時瑞利散射信號中包含光波的偏振態(tài)等信息。通過檢測瑞利后向，可對光纖外部的環(huán)境變量進行探測，從而實現(xiàn)對作用在光纖上的、擾動等信號的提取。

第二章 系統(tǒng)理論與方案設計測瑞利后向散射信號的干涉強度提取出振動點的信息[13]。 為光纖中瑞利后向散射光的干涉模型[14]，如果 A 點的瑞利后向向散射光為一個探測光脈沖的寬度，探測光脈沖從 A 點繼續(xù)生的瑞利后向散射光向后走，當探測光和 C 點產生的瑞利后時，探測光在 B 點產生的瑞利后向散射光和 C 點產生的瑞利輸，且同時到達探測器，發(fā)生干涉現(xiàn)象。

圖 2-2 光纖中瑞利后向散射干涉模型統(tǒng)的 OTDR 系統(tǒng)采用寬譜光脈沖，減弱了瑞利后向散射光的干涉強度寬激光源進行 OTDR 測試時，瑞利后向散射曲線會因相干衰落效應從隨機波動曲線，造成系統(tǒng)的信噪比低[15]。相對于 OTDR 系統(tǒng)Φ-OTDR寬的激光源，相干長度更長，瑞利后向散射信號之間更容易發(fā)生干涉，中瑞利后向散射光疊加干涉的強度變化對振動點實現(xiàn)定位。 2-3 為Φ-OTDR 振動檢測系統(tǒng)原理框圖[16]，窄線寬的激光源經調制器由沖光后[17]，經過環(huán)形器輸送到傳感光纖中，從環(huán)形器另一端輸出的瑞利光電探測器接收，通過數(shù)據采集卡傳輸?shù)接嬎銠C中，對信號進一步處理從而得到傳感光纖范圍內的擾動或溫度等信息。

【參考文獻】

相關期刊論文 前3條

1 杜志泉;倪鋒;肖發(fā)新;;光纖傳感技術的發(fā)展與應用[J];光電技術應用;2014年06期

2 杜成濤;汪安民;劉德保;;基于DSP的自適應光纖/千兆網接口設計[J];單片機與嵌入式系統(tǒng)應用;2013年04期

3 謝孔利;饒云江;冉曾令;;基于大功率超窄線寬單模光纖激光器的ф-光時域反射計光纖分布式傳感系統(tǒng)[J];光學學報;2008年03期

相關博士學位論文 前1條

1 彭飛;相位敏感型光時域反射儀及其應用研究[D];電子科技大學;2015年

相關碩士學位論文 前10條

1 薛傳宗;分布式光纖傳感器軟件系統(tǒng)設計[D];北京郵電大學;2018年

2 葉彬;分布式光纖傳感車輛振動識別及車速算法研究[D];浙江大學;2018年

3 曾少航;基于FPGA分布式光纖傳感系統(tǒng)的設計及實現(xiàn)[D];南昌航空大學;2017年

4 陳一波;高速光纖數(shù)據采集與傳輸系統(tǒng)關鍵技術研究[D];中北大學;2017年

5 董齊;基于FPGA的分布式光纖測振儀設計[D];太原理工大學;2017年

6 張偉;基于分布式光纖振動傳感器的管道監(jiān)測信號處理方法[D];電子科技大學;2017年

7 吳江;基于分布式光纖傳感技術的遠程監(jiān)測系統(tǒng)研究[D];電子科技大學;2017年

8 李博文;基于DSP與FPGA的ECT數(shù)據采集系統(tǒng)研究與設計[D];哈爾濱理工大學;2017年

9 李騫;基于高性能FPGA的高速數(shù)據采集卡設計[D];哈爾濱工程大學;2016年

10 李敏;基于LabVIEW的分布式光纖傳感系統(tǒng)[D];北京郵電大學;2016年

本文編號：2798346