【摘要】：基于瑞利散射的光頻域反射技術(shù)(Optical Frequency Domain Reflectometry,OFDR)是分布式光纖測量與傳感技術(shù)中的新型方法,其在與傳統(tǒng)光時域傳感技術(shù)(Optical Time Domain Reflectometry,OTDR)相比較時,具有著高動態(tài)范圍,高靈敏度和更高空間分辨率的優(yōu)勢。但是光頻域反射技術(shù)目前在更多參量傳感性能,光纖測試距離,長距離光纖測量時的空間分辨率,以及在長距離被測光纖下的傳感性能等方面仍存在一定不足,制約了其更廣泛應(yīng)用的展開。本文針對光頻域反射技術(shù)中目前存在的問題,從光頻域反射技術(shù)的幾個重點(diǎn)問題開始,包括相位噪聲、光源的非線性調(diào)諧、系統(tǒng)采樣誤差、瑞利散射光譜傳感機(jī)理等方面,提出基于光頻域反射技術(shù)進(jìn)行更多參量的傳感方法,提出提高長距離光纖測量空間分辨率的方法,同時提出可用于長距離光纖下的傳感方法,并完成理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本文的主要工作如下:1、從可調(diào)諧光源的非線性調(diào)諧效應(yīng)對光頻域反射信號的影響出發(fā),提出了優(yōu)化去斜濾波方法用于對可調(diào)諧激光器的非線性調(diào)諧效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償。補(bǔ)償后使得長距離光纖測量信號的幅值和反射點(diǎn)的空間分辨率都得以提高,80km處的反射峰幅值較未補(bǔ)償前提高20.5dB,80km處反射點(diǎn)的空間分辨率為80cm,與未補(bǔ)償信號比較提高187倍。2、提出了一種基于OFDR瑞利散射光譜分析的分布式長距離光纖擾動傳感方法,在提出的方法中先對光頻域反射信號進(jìn)行優(yōu)化去斜濾波方法的處理,再通過對光頻域信號瑞利散射光譜的互相關(guān)分析,從而解調(diào)出擾動信號的位置和幅值信息。該方法光纖的被測長度達(dá)到40km,對擾動點(diǎn)的定位誤差在11.6m-23.2m之間,并且實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)的擾動傳感。3、從光纖中的瑞利散射機(jī)理和基于光纖中瑞利散射光譜進(jìn)行傳感的原理出發(fā),建立基于OFDR進(jìn)行低溫傳感的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),提出了基于OFDR用于單模光纖中瑞利散射光譜頻移的低溫環(huán)境(溫度在77K下)的溫度傳感方法。實(shí)現(xiàn)在被測環(huán)境溫度在76K時,最小可測的溫度變化量為0.34K,有效傳感分辨率為48cm。4、提出了一種基于OFDR結(jié)合磁致伸縮材料進(jìn)行光纖分布式磁場和電流傳感的方法。選用磁致伸縮材料Fe-Co-V軟磁合金的薄板作為傳感介質(zhì)材料,在該軟磁合金表面貼合封裝單模光纖,通過在OFDR中利用瑞利散射光譜漂移來測量耦合在單模光纖上的應(yīng)變變化,實(shí)現(xiàn)對施加在磁致伸縮材料上的磁場以及用于產(chǎn)生磁場的電流變化的測量。提出的方法實(shí)現(xiàn)測量磁場變化范圍從0-143.3mT。最小可測的磁感應(yīng)強(qiáng)度為5.3mT,最小可測的電流變化為0.3A,參量有效傳感分辨率為14cm。另外,我們利用該傳感方法分別實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)磁場和多點(diǎn)電流的同時探測,以此來印證該方法進(jìn)行分布式磁場和電流傳感的有效性。
【圖文】：

第一章 緒論傳感技術(shù)。雖然準(zhǔn)分布式光纖傳感系統(tǒng)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)多點(diǎn)位置的同時測量，但是傳感位置必須進(jìn)行預(yù)先設(shè)定，其他未設(shè)置傳感單元的光纖只做光信號的傳輸，，因此點(diǎn)式或者準(zhǔn)分布式光纖傳感技術(shù)并不能實(shí)現(xiàn)真正意義的多點(diǎn)分布式的參量測量和傳感。正是基于此分布式光纖傳感技術(shù)，或叫全分布式光纖傳感技術(shù)，其可以擬補(bǔ)分立式光纖傳感技術(shù)的不足，分布式光纖傳感技術(shù)能實(shí)現(xiàn)長距離、大動態(tài)范圍內(nèi)對溫度、應(yīng)力/應(yīng)變、擾動、電磁等參量的連續(xù)測量，甚至可以對三維空間的連續(xù)性分布的場進(jìn)行測量。

以及通過使用串聯(lián)相位的方法進(jìn)行 OFDR 中有效的相位噪聲補(bǔ)償，從而通過 OFDR 方法實(shí)現(xiàn)光纖測試距離為 40km，空間分辨率達(dá)到 5cm，這項指標(biāo)也是在 OFDR 的長距離光纖測試研究方向達(dá)到的非常具有突破性的成果。在 2015 年檢索的最新 OFDR 方面的文獻(xiàn)中，上海交通大學(xué)的 Q.W.Liu 等人[85]提出時間門限窗的方法用于 OFDR 中，實(shí)現(xiàn)測試距離 110km，空間分辨率為1.6m。通常我們講的光頻域反射技術(shù)中，探測的都是強(qiáng)相干信號，然而當(dāng)被測光纖的長度在超過光源的相干長度的情況時，探測弱相干信號在 OFDR 技術(shù)中也是可行的，如 Z.Ding 等人[86]探測超相干情況下的菲涅耳反射，實(shí)現(xiàn)對 170km光纖末端菲涅耳反射峰的探測，反射點(diǎn)的空間分辨率為 200m。另有 C.Baker 等人[87]通過在OFDR系統(tǒng)中加入克爾介質(zhì)(Kerrmedium)實(shí)現(xiàn)超相干情況下的光纖測量，測量的強(qiáng)反射點(diǎn)位置達(dá) 151km，空間分辨率為 11.2cm。雖然通過一定方法可以實(shí)現(xiàn)超相干下更長的測試距離，但此時測量的僅是分立式強(qiáng)反射點(diǎn)信號，對于長距離光纖鏈路中的斷點(diǎn)，損耗，連接點(diǎn)等的健康監(jiān)測不具太大意義，因此針對強(qiáng)相干信號探測的研究更為重要。
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP212

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