基于弱光纤光栅阵列的分布式振动探测系统研究

摘要

随着光纤传感技术的不断进步，光纤传感网络逐渐向大规模、长距离、高精度方向发展。弱光纤光栅的出现，使得以光纤布喇格光栅（FBG）作为传感单元的大规模光纤传感网络成为了现实。本文以弱光纤光栅阵列作为传感单元，结合光时域反射（OTDR）技术和相干测量技术，构建了分布式振动探测系统，实现了高灵敏度、高频率响应、高精确度的振动测量。通过匹配干涉仪检测相邻两弱光纤光栅之间干涉信号的相位变化，可以获得在这两个光栅之间的微小扰动；再通过时分复用技术对该振动信号进行定位，从而实现对振动信号的分布式实时监测。本文的主要研究内容如下： (1)研究了大规模光纤光栅阵列复用的理论基础和传感原理，分析了时分复用系统中的两种串扰——光纤光栅阵列中的阴影效应和多次反射串扰对系统复用能力的影响，设计了以相邻光栅之间的光纤为传感单元的分布式振动探测系统。 (2)研究了光纤光栅波长失配对系统干涉条纹可见度的影响，设计了一种基于超短光纤光栅的传感系统，消除了普通弱光栅系统由于波长漂移导致的系统干涉条纹可见度降低、灵敏度下降等缺点。本文使用的超短光纤光栅长度为500微米左右，具有约1.6nm的3dB带宽，可以有效地避免波长失配现象的产生，提高系统的稳定性和可靠性。 (3)研究了PGC解调算法和3×3耦合器解调算法以及这两种解调算法的优缺点，在此基础上设计了一种改进的3×3解调算法：反正切解调算法。同时对该算法进行了仿真分析，验证了算法的准确性；分析了当三路干涉信号的直流分量（平均光强）、交流分量（干涉信号的峰值强度）和三路信号之间相位不均匀的情况下对系统解调结果的影响。 (4)搭建了基于超短光纤光栅阵列的分布式振动探测系统，并对系统的关键器件进行了分析。通过实验研究了激光光源、脉冲调制电路、耦合器、匹配干涉仪等对系统性能的影响。最后采用光栅中心波长为1550.9nm，反射率约为-50dB，相邻光栅间距为5m，数量为520个的超短光纤光栅阵列对系统的性能进行了实验验证。实验结果证明，该振动探测系统解调频率高达2000Hz；具有很好的频率响应，其频率响应范围为30~700Hz；相比标准检波器，该振动探测系统可以准确解调出微弱的振动信号，具有更高的灵敏度；可以实现分布式测量。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景

1.2 光纤传感网络的研究现状

1.3 论文研究的目的及研究内容

第2章 光纤光栅阵列传感理论基础

2.1 光纤光栅基本理论

2.2 大规模光纤光栅时分复用基本理论

2.3 本章小结

第3章 分布式振动探测系统的方法研究

3.1 基于Φ-OTDR技术的分布式振动传感系统

3.2 基于相干检测技术的分布式振动传感系统

3.3 基于弱光纤光栅阵列的分布式振动探测系统原理

3.4 本章小结

第4章 分布式振动探测系统的搭建与实验验证

4.1 系统的搭建

4.2 系统硬件技术参数

4.3 系统性能实验验证

4.4 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 论文创新点

5.3 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文