外差检测布里渊光时域反射技术实验平台搭建与关键技术研究

论文摘要

众所周知,光纤作为当今世界最主要的传输与传感介质,有着其不可取代的地位。作为传感介质的光纤,具有易被各种光探测器件接收、高灵敏度、性能稳定的优点;而作为传输介质的光纤,具有可方便的进行光电或电光转换、在传输过程中不受电磁干扰、非侵入性和信号损失量小的优点。光纤传感技术利用光纤可以同时作为传输与传感介质的特性而迅速发展起来,根据其检测方式的不同可以划分为以下三类:点式、准分布式和分布式光纤传感技术（Distributed Optical Fiber Sensing Technology,DOFS）,其中DOFS是当今世界热门研究课题之一。DOFS可以按照不同的散射光类型分为以下三类:基于布里渊散射的DOFS、基于拉曼散射的DOFS和基于瑞利散射的DOFS。虽然基于布里渊散射的DOFS与另外两种DOFS相比被提出的时间较晚一些,但其在对温度和应力进行传感时可以实现的传感距离和实验参数的精确程度等均强于另外两种DOFS,此外通过探测布里渊散射信号的频移和强度等传感参量,可以同时实现对温度和应力的双参传感。因此,基于布里渊散射的DOFS吸引了众多研究人员参与其中并取得了丰硕的研究成果。本文在对在基于布里渊散射的DOFS进行了大量的调研与深入的研究之后,设计了一种基于光域频移（Optical Domain Frequency Shift,ODFS）的外差检测布里渊光时域反射系统（ODFS-BOTDR）的设计方案,根据设计方案搭建ODFS-BOTDR实验平台,并在搭建好的实验平台上进行相关理论验证与实验研究。主要研究内容如下:首先,本文简要介绍了五种基于布里渊散射的DOFS及其国内外研究现状,并按照原理对这五种技术进行分类与比较;从原理、散射信号特性等方面着重分析了光纤中的布里渊散射,通过探测布里渊散射信号的频移和强度等传感参量,可以同时实现对温度和应力的双参传感;提出了一种解决布里渊散射信号传感参量对应力和温度交叉敏感问题的解决方案并简要概括了布里渊散射信号的检测方法为后续搭建ODFS-BOTDR实验平台奠定了理论基础。其次设计了一款基于ODFS的ODFS-BOTDR的实验平台搭建方案,本平台由五个模块构成,分别是光源模块、光脉冲调制模块、入射光功率可调模块、外差检测模块、光域移频模块。分析各个模块的技术指标,并详细介绍了各个模块的关键器件选择方案和详细参数为后续搭建ODFS-BOTDR提供了理论依据和参考标准。然后,根据实验平台搭建方案搭建ODFS-BOTDR实验平台,通过实验探究并验证了光纤中的散射光与入射光功率之间的关系;针对本实验平台所使用的光纤及调制方式,提出了一种受激布里渊散射阈值测量方案,并通过实验探究影响受激布里渊散射阈值的因素;设计了一种基于ODFS的思路,并通过实验验证其正确性;理论分析光脉冲调制参数,设计光脉冲调制方案并调制出ODFS-BOTDR实验平台所需的脉冲信号;在本地信号路引入扰偏器,使其产生随机变化的偏振态,来消除由于偏振状态带来的不良影响,扰偏器的引入不仅可以解决偏振敏感问题,还可以使系统结构简单,降低成本。最后,调试ODFS-BOTDR实验平台各器件,使其达到最佳工作状态,通过示波器采集自发布里渊散射信号,并对采集到信号进行数字信号处理,验证了实验平台的可行性,为后续对待测光纤进行温度和应变的双参传感研究奠定了坚实的基础。

论文目录

摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 引言

1.2 分布式光纤传感技术简介

1.2.1 基于布里渊散射分布式光纤传感技术简介

1.2.2 布里渊光时域反射技术研究现状

1.3 本文主要的研究内容

1.4 论文结构

第二章基于布里渊散射的温度和应变理论基础

2.1 光散射理论

2.2 布里渊散射原理

2.2.1 自发布里渊散射

2.2.2 受激布里渊散射

2.3 布里渊散射信号与应变及温度的关系

2.3.1 布里渊散射信号的频移与温度和应力的关系

2.3.2 布里渊散射信号的强度与温度和应变的关系

2.3.3 布里渊散射信号对应变及温度的交叉敏感问题

2.4 布里渊散射信号检测方法

2.4.1 直接检测

2.4.2 外差检测

2.5 本章小结

第三章 ODFS-BOTDR系统方案设计

3.1 ODFS-BOTDR系统整体设计

3.2 光源模块

3.2.1 传感距离与光源的关系

3.2.2 光源模块器件选择

3.3 光脉冲调制模块

3.3.1 光脉冲调制模块技术指标

3.3.2 光脉冲调制模块器件选择

3.4 入射光功率调节模块

3.4.1 受激布里渊散射阈值理论分析

3.4.2 入射光功率调节模块器件选择

3.5 光外差检测模块

3.5.1 光外差检测系统信噪比计算

3.5.2 消除偏振失配对外差检测的影响

3.5.3 光外差检测模块器件选择

3.6 光域移频模块

3.7 本章小结

第四章 ODFS-BOTDR系统搭建及实验结果

4.1 脉冲信号调制实现原理及结果展示

4.1.1 脉冲信号调制实现原理

4.1.2 脉冲信号调制结果展示

4.2 输入功率对散射光影响的实验原理图及结果展示

4.3 受激布里渊散射阈值测量实现原理及结果展示

4.3.1 受激布里渊散射阈值测量实现原理

4.3.2 受激布里渊散射阈值测量结果展示

4.4 ODFS-BOTDR系统实现原理及结果展示

4.4.1 ODFS-BOTDR系统实现原理

4.4.2 ODFS-BOTDR系统结果展示

4.5 数字信号处理结果展示

4.6 本章小结

第五章总结与展望

5.1 本文总结

5.2 未来展望

参考文献

致谢

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文章来源

类型: 硕士论文

作者: 文耀

导师: 田慧平

关键词: 布里渊散射,外差检测,布里渊频移,光脉冲调制

来源: 北京邮电大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 北京邮电大学

分类号: TN253

总页数: 66

文件大小: 5952K

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