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作者：

朱帆

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摘要：

相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)是一个功能强大的全分布式光纤传感器,其主要利用光纤中瑞利散射光的相干衰落效应来进行传感.Φ-OTDR通常要求使用高相干性激光器向待测光纤发射探测脉冲,使得光纤中各个散射点产生的背向瑞利散射光之间发生干涉,导致接收端接收到的瑞利散射光功率随时间变化曲线(即Φ-OTDR曲线)随机波动,这种现象被称为相干衰落效应.如果Φ-OTDR的光源稳定且待测光纤未受扰动,不同探测脉冲产生的Φ-OTDR曲线的波形将呈现良好的一致性.反之,若待测光纤某处受外界振动影响,则探测脉冲的相位受到扰动,那么对应位置处的Φ-OTDR曲线波形会... 展开 相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)是一个功能强大的全分布式光纤传感器,其主要利用光纤中瑞利散射光的相干衰落效应来进行传感.Φ-OTDR通常要求使用高相干性激光器向待测光纤发射探测脉冲,使得光纤中各个散射点产生的背向瑞利散射光之间发生干涉,导致接收端接收到的瑞利散射光功率随时间变化曲线(即Φ-OTDR曲线)随机波动,这种现象被称为相干衰落效应.如果Φ-OTDR的光源稳定且待测光纤未受扰动,不同探测脉冲产生的Φ-OTDR曲线的波形将呈现良好的一致性.反之,若待测光纤某处受外界振动影响,则探测脉冲的相位受到扰动,那么对应位置处的Φ-OTDR曲线波形会发生局部变化.除了分布式光纤传感器共有的优点以外,Φ-OTDR还具有两项突出的特点:一方面,由于其传感原理基于光纤中传输光的相位变化,所以其灵敏度极高;另一方面,光纤中的瑞利散射相对于光纤中的非线性散射(如布里渊散射,拉曼散射)信号强度更高,Φ-OTDR无需通过大量累加平均来提高信噪比,所以其响应速度快.Φ-OTDR的这两个优点使得其非常适合用于检测光纤上微弱的振动事件.因此,Φ-OTDR传感技术在要求对微弱振动进行检测的应用中展现出了巨大的潜力,如重大工程结构健康监测,管线安全检测,重要场所入侵检测以及地质分析与勘探等. 然而,现有的Φ-OTDR传感技术依然存在不少缺陷:问题之一是不同时刻获取的Φ-OTDR曲线间的形状畸变问题.通常,Φ-OTDR传感系统需要一个窄线宽的,无频率漂移的稳定激光光源.但是普通的商业激光器始终存在缓慢但不断累积的频率漂移,导致在待测光纤上无扰动时,Φ-OTDR曲线仍然会发生缓慢的畸变.在光源频率漂移的情况下,Φ-OTDR传感系统很难检测到光纤上的低频振动事件.除此以外,Φ-OTDR在定量检测光纤应变方面也存在难度.由于光纤内散射点的散射率和位置随机分布,所以Φ-OTDR曲线的幅度仅能通过统计规律描述.也就是说,光纤上的应变与Φ-OTDR测得的散射功率之间有没有明确的对应关系,导致Φ-OTDR难以精确的,定量的检测光纤应变. 针对上述Φ-OTDR的不足,本文对Φ-OTDR的数学模型进行深入的研究,阐述Φ-OTDR中的相干衰落现象的成因,根据模型计算得出Φ-OTDR信号的数学特征.并在理论分析的基础上,提出两项技术对现有Φ-OTDR系统进行增敏,以克服上述的两点不足: 1,本文定量的研究了Φ-OTDR光源频漂量与曲线畸变之间的关系.在此基础上,提出了基于主动激光频率扫描的Φ-OTDR光源频漂的补偿方案.该方案通过对Φ-OTDR曲线之间的互相关性分析,光源频率扫描以及激光频率反馈控制等技术,补偿光源频漂,抑制Φ-OTDR曲线之间的畸变. 2,本文提出使用极弱反射率布拉格光纤光栅阵列来对现有的Φ-OTDR传感系统进行增强,以实现待测光纤上的动态应变高精度的,定量的测量.本方案借助于极弱反射率布拉格光纤光栅的反射信号,通过监测相邻的两个光栅之间的干涉光信号,实现动态应变的定量测量.借助激光频率扫描技术和相位展开算法,大大扩展该方案可测得的应变范围. 最后,通过实验验证上述的两种Φ-OTDR系统性能增强技术.实验结果表明,本文提出的Φ-OTDR主动频漂补偿方案可以有效的抑制由于光源频率漂移引起的Φ-OTDR曲线畸变,检测到了传感光纤上5km距离处的频率低至0.5Hz的振动事件.该方案将Φ-OTDR系统的测试振动频率下限从数十Hz降低到了亚Hz级别.同时,实验还证明本文提出的极弱反射率布拉格光纤光栅阵列增强的Φ-OTDR传感系统可以以2m的空间分辨率,在5km长度光纤上对光纤长度变化进行定量检测,测量精度达到数十nm级别.这是利用Φ-OTDR传感系统首次实现如此高精度的定量动态应变测试. 收起

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学位级别：

博士

被引量：

1