基于时分复用的准分布式光纤传感器建模分析及实验研究

摘要

光纤传感器有着易于组网和本质安全的优点，现在已被广泛用于各种易燃易爆及危险气体的浓度测量中。本文针对准分布式（特别沿巷道、管道布点）的气体检测需求，提出了一种基于单根光纤传输的准分布式光纤传感器组网方案，建立了相应的光纤传感器网络系统，适用于测量多点大范围的气体浓度检测。 首先，本文基于气体分子的吸收光谱理论，提出了一种波长调制光谱（WMS）模型，以确保激光器的输出波长稳定在所需的极窄范围，并计算不同的激光器调制深度对二次谐波强度的影响;同时，完成了可调谐二极管激光器吸收光谱的波长调制模型在准分布式光纤传感器上的分析，并获得了最佳的调制深度。 其次，针对传统组网方案中存在的检测光纤距离两倍于检测路径距离及耦合器光功率衰减等问题，提出并建立了基于光时域反射（OTDR）与时分复用（TDM）的气体检测模型，设计了一种基于单根光纤的准分布式光纤光谱吸收型气体传感器网络拓扑结构。根据该网络拓扑结构，分析了环形器、耦合器耦合比的优化以及光信号功率损耗等问题，讨论了理论上最大可测量点数量及最远可测距离，解决了超大范围内的气体浓度检测问题。 再者，针对光时域反射分布式检测的要求，提出了一种基于波长调制光谱的二次谐波检测模型以实现多点微弱信号的采集。该模型采用高频调制及谐波检测技术，建立了窄带光源的二次谐波的多点光纤气体传感器检测系统，实现了基于锁定放大的低浓度气体的准确和快速的测量。并且根据调制深度的不同，可以改变分布式系统的传输距离以及增加测量点数量。与此同时，设计了一种二次谐波的归一化处理方法，与仿真结果进行比较，适当的归一化提高了检测精度。该归一化方法适合远距离、低浓度的气体检测。 根据上述理论建模分析，以甲烷气体作为研究对象，搭建了准分布式反射型时分复用的光纤传感实验平台，设计了一种多点数据处理的软件算法。进行了光源输出波长的检测、多点气室的衰减测量、波长调制光谱及二次谐波的归一化测量、光谱吸收输入输出测量、光路及器件衰减测量、准分布式网络灵敏度、线性度以及准确度测试等一系列实验。实验结果表明：调制深度的确定、二次谐波的标定、反射气室的设计以及单根光纤准分布式结构满足多点远距离低浓度甲烷气体的检测要求。

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摘要

ABSTRACT

绪论

课题来源与研究背景

课题来源

课题背景与意义

光纤传感器研究现状

光纤传感器国内外发展现状

光纤传感器网络结构研究现状

气体光谱吸收气体网络

目前存在的问题与技术难点

本文的章节安排

准分布式波长调制光谱建模分析

引言

气体分子光谱分析及检测谱线选择

气体吸收谱线

甲烷吸收谱线的选择

吸收线型的分析

气体光谱的吸收过程的建模分析

宽带光源法布里-珀罗腔吸收

直接吸收法

波长调制光谱

准分布式传感器信号调制的建模分析

可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）波长调制光谱（WMS）的分析

本章小结

准分布式传感器拓扑结构建模分析

引言

基于时分复用（TDM）波长调制型检测过程的建模分析

传统时分复用（TDM）结构

基于光时域反射（OTDR）的拓扑结构模型设计

反射型开放气室的建模分析

常用气室的类型

气室结构建模

反射型光纤气体传感器网络中的关键光器件影响分析

光环行器

耦合器

传感器网络中的光路系统损耗分析

理论最大可检测点数的确定

本章小结

准分布式传感器的二次谐波检测建模及其归一化分析

引言

基于波长调制光谱的二次谐波（WMS-2f）检测建模

多点弱信号系统仿真分析

波长调制光谱二次谐波的归一化处理

本章小结

准分布式光纤传感系统样机设计及实验分析

引言

基于DFB激光器的WMS设计

DFB激光器的分析

光源波长调制的硬件设计调制电路设计

LD温度控制系统电路设计

控制电路设计

最佳调制深度

微弱信号处理分析与设计

光探测器的分析及选型

前置放大电路的设计

二次谐波信号的解调设计

数据处理

多点信号采集软件算法设计

反射型气室的设计

光纤传感器网络实验样机系统实验平台

样机实验结果分析与讨论

本章小结

全文总结与工作展望

全文总结

研究展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的主要论文

附录2 博士生期间参与的课题研究情况