高空间分辨率的光频域反射关键技术研究

论文摘要

光纤传感在工程中的应用日趋广泛,其中光频域反射技术（OFDR,Optical Frequency Domain Reflectometry）因为其高空间分辨率、高灵敏度等优点日益备受关注。本文首先介绍了光频域反射系统的基本组成和工作原理,讨论了其主要参数,分析了激光器、接收机等对系统的影响;然后对激光器的非线性输出和该问题处理方法进行了论述,其次针对光纤的偏振衰落与抑制的方法进行了分析。最后对系统噪声的消除的方法进行了试验。最终在以上的分析结果的基础上搭建了集成在机箱中的光频域反射分布式传感实验系统并进行了相关实验。论文主要内容如下:1.以Mach-Zehnder形式的干涉仪为基础结构,对光频域反射技术基本原理进行分析;对光纤的散射与弯曲损耗进行了研究以及对低噪声的接收机技术进行了分析。通过分析可以发现待测光纤的位置与光频域反射拍频信号的频率有关,外界物理量的变化量与瑞利散射的漂移量有关。2.分析了激光器的输出相位非线性效应及其影响,并探究了非线性相位的补偿方法。根据相位噪声的数学形式,针对该问题可能带来的不良影响进行了分析以及仿真工作。借助样条插值、去斜滤波等方法对非线性效应的不良影响进行抑制,进行了仿真和实验研究。最终确定去斜滤波更适用于本文的系统。3.提出在系统中利用小波分解阈值重构与自适应滤波组合的方式对信号进行预处理,降低系统噪声带来的影响,并对该方法进行了仿真与实际系统测试,结果表明该方法可以明显的降低反射峰旁瓣的影响。其次分析了偏振衰落产生的影响,结合本文的系统采用偏振分集技术进行偏振衰落抑制。4.基于以上光频域反射技术的研究分析,搭建实验系统进行传感实验研究。结果表明在216.8m、618.6m以及1325.1m的距离下,系统均可以达到5cm的空间分辨率,而且系统最远在3979.9m距离时依旧可以保持较好的分辨能力。

论文目录

摘要

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第一章绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 瑞利散射型光纤传感技术

1.2.1 基于瑞利散射的OTDR技术

1.2.2 基于瑞利散射的光频域反射技术

1.3 光频域反射技术的国内外发展状况

1.4 本论文主要研究内容和结构

第二章光频域反射系统理论分析

2.1 光纤中的背向散射

2.2 光频域反射结构与原理

2.2.1 平衡相干探测

2.2.2 光频域反射系统原理

2.3 光源参数对光频域反射系统的影响

2.3.1 扫频范围

2.3.2 扫频速率

2.3.3 光源线宽与相位噪声

2.3.4 光源输出功率

2.4 本章小结

第三章光源非线性调谐补偿及系统偏振衰落的抑制

3.1 系统光源非线性调谐效应

3.1.1 光源非线性调谐效应及其影响

3.1.2 光源非线性扫频的硬件处理

3.1.3 光源非线性扫频软件处理

3.1.3.1 样条插值

3.1.3.2 去斜滤波器

3.1.4 光频域反射系统辅助干涉仪

3.2 光频域反射系统的偏振衰落研究

3.2.1 传感系统中的偏振衰落

3.2.1.1 光纤的偏振特性

3.2.1.2 偏振衰落及相位噪声分析

3.2.2 光频域反射系统的偏振衰落抑制

3.2.2.1 偏振衰落常用方法

3.2.2.2 光频域系统偏振分集技术

3.3 系统噪声的抑制

3.4 本章小结

第四章光频域反射系统实验研究

4.1 光频域反射系统的设计与搭建

4.2 光频域反射系统非线性补偿验证

4.3 光频域反射系统噪声抑制

4.4 光频域反射系统空间分辨率测试

4.5 本章小结

第五章全文总结与展望

5.1 全文总结

5.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 崔楠楠

导师: 欧中华

关键词: 光频域反射,分布式传感,高空间分辨率,偏振衰落

来源: 电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,自动化技术

单位: 电子科技大学

分类号: TN248;TP212

总页数: 70

文件大小: 20034K

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