基于OFDR的光纤瑞利散射多特征信息分布式传感研究

摘要

以光纤为敏感介质的分布式传感技术中的一类技术是光频域反射技术（OFDR），其作为一种新兴的分布式传感技术在空间分辨率与传感参量种类上较光时域反射技术都有显著提高，是一种实现多维多参量密集分布式传感的可行途径，也是本课题的主要研究内容。 光纤 OFDR 分布式传感中的多特征信息传感指利用光纤瑞利散射的波长域幅度、距离域幅度、光谱、偏振、色散、相位等特征信息实现对温度、应变、振动等参量的传感。本论文旨在结合光纤瑞利散射中的多种特征信息，克服单一瑞利散射特征信息在传感中缺陷与不足，提升现有OFDR分布式传感系统性能。 本论文开展主要工作如下： （一）介绍光频域反射技术的基本原理，从理论上推导出了OFDR拍频干涉信号的数学模型，非线性噪声。基于非线性噪声的产生机制及其非线性相位噪声补偿方法。 （二）分析了光纤瑞利散射光谱漂移的特征信息。在基于OFDR背向瑞利散射的分布式应变传感系统中，提出一种通过增加附加信息过采样实现瑞利散射本地频谱细化的方法，其可同时提升应变传感灵敏度与空间分辨率。实验结果表明，在空间分辨率 1cm 的情况下，最小可测量应变为 3με，?应变灵敏度从 0.0348 GHz/με提升至0.1389 GHz/με，提高约4倍。并利用阿基米德螺旋线的光纤排布方法实现可以一种二维应变传感。 （三）提出了一种利用标准单模光纤与细径单模光纤的特征信息差异形成灵敏度差异构建参量矩阵的方法，以此实现温度应变双参量同时测量。实验结果表明，在空间分辨率为18cm，测量长度50 m情况下，温度测量误差为0.3℃，应变测量误差为7.97με。 （四）提出了一种基于OFDR多特征信息的长距离分布式光纤扰动传感方法，其可以通过瑞利散射多特征信息同时定位多点扰动事件。本文提出的方法，利用瑞利散射互相关相似性特征信息、瑞利散射光谱漂移特征信息、距离域“V”形特征信息等多特征信息结合的方法同时检测并定位多点扰动事件。在不使用光放大装置的单端OFDR系统中，实现了在测试距离92 km附近同时检测并定位两个扰动事件，扰动事件定位的空间分辨率约为13 m。

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