基于双Mach-Zehnder干涉仪的扰动定位方法研究

摘要

周界安防在国土安全防卫、政府要害部门、电厂、学校、小区等区域性范围有极大的应用价值。基于光纤传感的周界安防系统以其高灵敏度、绝缘、抗电磁干扰、可实现分布式传感的先天优势，实现了相较于传统系统更好的效果。
　　按照测量方式来讲，光纤传感器主要有点式传感器、准分布式传感器、全分布式传感器之分。在扰动定位方面，主要使用全分布式光纤传感器。本文首先介绍了几种不同的光纤传感器，随后重点研究了基于双Mach-Zehnder(M-Z)干涉仪的扰动定位方法。
　　首先，分析了影响光纤干涉仪输出的一系列因素，以耦合模理论为基础，推导出干涉仪中光纤耦合器的传输矩阵，最终得到了光纤干涉仪的理论输出形式。该结果表明，干涉仪输出光强变化与光程差变化密切相关。
　　其次，简要介绍了基于小波分析和经验模态分解的信号去噪方法以及本文使用的时延估计算法。受系统噪声影响，干涉输出信号中含有大量高频噪声，噪声会使后续时延估计误差增大，故信号分析前的去噪处理是一个必要过程。
　　然后，分析采集到的实际数据得知，本应有固定时延的两组干涉数据出现了时延不稳定的情况，具体表现为信号出现时前时后的交替现象，这导致了时延估计误差增大。通过比较实际接收数据与理论数据的不同，最终得到了更加符合实际情况的双M-Z干涉仪定位系统的工作点偏移模型，并进行了仿真。
　　最后，针对干涉仪工作点偏移现象，提出了两种主要的解决思路，即稳定扰动点的方法和相位解调法。在此基础上，以微分交叉相乘为基础，提出了一种基于2×2耦合器的新的相位解调法，通过仿真实验和对实际观测数据的解调发现，与直接估计时延相比，新方法取得了更好的定位结果，这也是本文的最主要创新点。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 光纤传感器的历史及现状

1．2．1 光纤传感器的分类

1．2．2 周界入侵扰动中的光纤传感器

1．2．3 光纤传感定位的现状

1．3 光纤基础知识

1．3．1 光纤结构及光的全内反射

1．3．2 光纤中的模式

1．4 论文主要工作及内容安排

第2章 影响光纤传感精度的物理因素

2．1 单模光纤敏感性

2．1．1 弹光效应对光纤的影响

2．1．2 温度效应对光纤的影响

2．2 光纤耦合器

2．2．1 双波导耦合模理论

2．2．2 星形2×2光纤耦合器模型

2．2．3 星形3×3耦合器传输特性

2．3 光源及光检测器对干涉仪的影响

2．3．1 光源特性及应用要求

2．3．2 光电探测器及其应用要求

2．4 本章小结

第3章 信号去噪及时延估计方法

3．1 经验模态分解

3．1．1 经验模态分解的实现方法

3．1．2 基于经验模态分解的信号去噪

3．2 离散小波变换

3．2．1 离散小波变换基础

3．2．2 小波变换在光纤传感信号去噪中的应用

3．3 定位系统的时延估计算法

3．4 本章小结

第4章 双M-Z干涉仪定位系统

4．1 双M-z干涉仪定位系统的基本结构

4．2 理想情况下双M-Z干涉仪系统模型

4．3 实际系统与理想系统中模型的区别

4．3．1 理想系统模型及其仿真

4．3．2 实际系统接收数据及其时延估计

4．4 双M-Z干涉仪系统的工作点偏移模型及仿真

4．5 本章小结

第5章 基于相位解调法的工作点偏移解决方法

5．1 工作点偏移的补偿方法

5．2 相位解调方法总结

5．2．1 零差相位解调法

5．2．2 外差相位解调法

5．3 使用3×3耦合器消除工作点偏移

5．3．1 3×3耦合器相位解调原理

5．3．2 3×3耦合器相位解调仿真

5．4 2×2耦合器解调相位分析及仿真

5．4．1 微分交叉相乘法

5．4．2 无噪情况下解调仿真与时延估计

5．4．3 有噪情况下解调仿真

5．4．4 有噪信号解调输出的时延估计

5．5 实际系统解调输出与时延估计

5．6 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 内容总结

6．2 工作展望

参考文献

致谢