基于增益谱调制的布里渊传感技术研究

摘要

自上世纪70年代第一根单模光纤问世以来，光纤传感技术开始广泛应用于各个领域。由于分布式光纤传感系统在超长距离、耐腐蚀、抗电磁干扰方面有着显著的优势，所以在石油勘探、国防安全以及建筑安全监测等领域有强烈的需求和广阔的运用前景。 其中，布里渊传感由于具有超长传感距离的温度/应变分布式监控的显著优势而备受关注，但是动态响应速度是制约布里渊传感发展的一个很大的因素。针对这一点，国内外各小组在布里渊传感的动态响应速度方面做了很多研究。在充分了解各个小组的研究之后，本论文提出了基于增益谱调制的快速布里渊传感技术，与其他布里渊传感系统相比具有动态范围大、灵敏度可调以及不需要复杂解调等优势。 本文主要研究的是快速布里渊传感中的增益谱调制。本文从原理上分析了增益谱调制的可行性，并对相应的实验结果进行分析，最后得到了较为理想的调制后的布里渊增益谱。本文的具体研究内容如下： (1)系统地讲解了光纤传感的系统，其中也包括其原理和相关应用，并概括性地介绍了布里渊传感系统的发展过程以及当前的研究热点。而且概述了快速布里渊传感系统的国内外研究进展。 (2)详细介绍了布里渊传感的相关理论知识。首先介绍了光纤中受激布里渊散射的相关知识，并且着重介绍了布里渊传感的工作原理，随后以BOTDA为例，详细介绍了限制传统布里渊传感的因素：待测光纤的长度、平均次数、有限的光波频率切换时间以及扫频点个数。然后根据这些限制因素分别介绍了当今提出的若干种提升布里渊传感动态响应速度的方法，并进一步分析了这些技术的优劣。 (3)在传统布里渊传感的基础上，基于光纤固有的布里渊增益谱，本文提出一种新的方法，运用啁啾脉冲调制模块把输入待测传感光纤的泵浦光调制成线性啁啾脉冲光，使得布里渊增益谱被调制，即调制后的增益谱有一个范围较大的线性区，进而使得当外界的温度/应变发生变化时，信号接收模块获得的信号强度会随着布里渊频移发生线性改变。并可根据实际需求，通过改变增益谱线性区的斜率来改变系统灵敏度。本文进一步将提出系统方案并将其与现有的若干技术进行比较：相对于光学捷变频技术和斜率辅助技术，增益谱调制技术可以大大地提高其动态响应范围；相对于光学啁啾链技术和光频梳技术，因为增益谱调制技术的探测信号只有一个频率，所以后续不需要进行诸如多次拟合解调等复杂的电学操作，理论上在获得扰动信号方面可以大大地节约时间。 (4)对(3)中提出的基于增益谱调制的布里渊传感系统进行布里渊调制，详细地对增益谱调制进行原理分析，并用仿真验证了增益谱调制的可行性，详细分析了IQ调制模块调制线性啁啾光的原理，然后利用调制模块搭建了布里渊增益谱调制系统，介绍了关键器件的选择及其原因，最后获得较为满意的调制后的布里渊增益谱，并对实验产生的结果进行讨论和分析。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 分布式光纤传感技术

1.2.1 基于布里渊散射的传感方法

1.2.2 提高布里渊传感动态响应速度的方法

1.3 快速布里渊光时域分析仪的国内外研究现状

1.4 主要工作内容

第二章 布里渊传感理论基础

2.1 传统布里渊传感理论

2.1.1 光纤中的受激布里渊散射

2.1.2 BOTDA传感原理

2.2 限制传统BOTDA动态响应速度的因素

2.3.1 基于偏振补偿技术的快速BOTDA系统

2.3.2 基于光学捷变频的快速BOTDA系统

2.3.3 基于斜率辅助技术的快速BOTDA系统

2.3.4 基于光学啁啾链技术的快速BOTDA系统

2.3.5 基于光学频率梳技术的快速BOTDA系统

2.4 本章小结

第三章 布里渊增益谱调制的理论及仿真

3.1 基于增益谱调制的快速布里渊传感基本原理

3.2 增益谱调制的仿真模型

3.3 增益谱调制的迭代方法

3.4 增益谱调制的仿真结果及分析

3.5 本章小结

第四章 布里渊增益谱调制实验

4.1 布里渊增益谱调制实验装置

4.2 基于I/Q调制的线性扫频啁啾信号

4.3 关键器件选择

4.4 增益谱调制实验结果及分析

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 工作总结

5.2 后续工作的展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间研究成果