Φ-OTDR高速同步脉冲信号发生器设计

摘要

相位敏感光时域反射（Φ-OTDR）是分布式光纤传感检测方法之一，具有分布式、灵敏度高、检测范围广、不受地形地貌干扰等诸多优点而成为研究热点。在Φ-OTDR传感系统中，探测光脉冲的性能直接影响传感系统的信噪比、动态范围等性能指标，通常采用声光调制器（ AO M）对连续激光进行调制，选择外接信号发生器、使用单一脉冲作为声光调制器的脉冲信号源，不考虑占空比、周期等脉冲信号参数对输出光脉冲消光比和信噪比的影响。针对传统方法的局限性，为了获得高质量的光脉冲，本文设计实现了嵌入式高速脉冲信号发生器。 分析Φ-OTDR分布式光纤原理及定位原理，研究探测光脉冲信号对Φ-OTDR系统性能的影响，推出输入脉冲参数与系统信噪比定量关系。通过对声光调制器调制原理及性能参数的分析，给出了对输入脉冲信号的约束条件。 针对声光调制器对脉冲信号上升时间的要求，本文设计了高速缓冲电路，实现了8.8ns的脉冲上升时间。设计了高效输入算法，实现对无效脉冲输入的屏蔽功能，提高了Φ-OTDR系统信噪比。脉冲发生器还提供了几种脉冲编码序列的产生功能，通过人机交互界面可灵活设置脉冲输出模式。 研究脉冲编码技术的实现原理以及在Φ-OTDR中的应用方法，针对不同编码方式给出了对系统信噪比的提升量。对脉冲编码与传统叠加平均法行了对比，采用脉冲编码序列对Φ-OTDR进行了测试实验，得到了高信噪比光时域信号。通过定位实验验证了编码的脉冲优于单脉冲信号。 通过实验分析脉冲参数对声光调制器实际输出信号的影响。文中给出了不同脉冲周期对时域信号波形的影响对比以及对定位结果的影响，发现脉冲周期越长定位结果越差。文中使用信号峰值平方与均值平方比值的定义来描述脉冲周期对系统定位的影响。 脉冲发生器通过定位实验得到了2米的空间分辨率，在定位精度实验中对比传统信号发生器定位标准偏差降低了0.72米。本文设计的脉冲发生器输出稳定、响应快、上升时间短，可输出脉冲编码序列，满足Φ-OTDR系统的要求。

目录

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第1章 绪论

1.1 管道安全预警技术研究现状

1.2Φ-OTDR分布式光纤检测技术

1.3 课题的意义及其主要研究内容

第2章 Φ-OTDR性能参数与脉冲参数关系

2.1Φ-OTDR原理及主要性能参数

2.2 脉冲信号对声光调制器性能的影响

2.3 本章小结

第3章 Φ-OTDR脉冲发生模块的设计

3.1 系统硬件整体设计

3.2 主要器件的选择

3.3Φ-OTDR脉冲信号发生器硬件设计

3.4Φ-OTDR脉冲信号发生器软件设计

3.5 本章小结

第4章 脉冲编码技术在Φ-OTDR中的应用

4.1 脉冲编码技术基本原理

4.2 脉冲编码Φ-OTDR系统性能分析

4.3 本章小结

第5章 脉冲发生器性能实验与分析

5.1Φ-OTDR传感系统介绍

5.2 脉冲占空比对AOM输出消光比的影响

5.3 脉冲周期对系统信噪比影响研究

5.4Φ-OTDR高速脉冲发生器性能测试

5.5 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢