光频域反射技术的非线性调谐补偿及其仪器化研究

摘要

光频域反射技术作为一种新兴的干涉型传感技术，通过对光纤中背向瑞利散射的探测实现分布式光纤传感。与传统的光时域反射技术(OTDR)相比，光频域反射技术具有高信噪比、高空间分辨率和高灵敏度等优势。因此，这一技术在近些年中得到了广泛运用。但目前OFDR方法在长距离光纤链路信号的空间分辨率以及物理量的传感精度上还存在一些不足，对其未来的发展前景产生了消极的影响。
　　针对上述OFDR中技术存在的一些问题，本文提出了相应的改进方案，包括光源的非线性调谐的补偿，基于光纤背向瑞利散射的传感方法等，通过理论分析和实验验证，这些新的方法都能够实现对光频域反射相关技术指标的提升。此外，本文还提出了可以实现光频域反射多参量分布式传感的仪器制作方案，为光频域反射技术进入实际应用领域提出了可行的技术手段。
　　本文的开展主要工作如下:
　　（一）通过对光源非线性调谐的基本原理的分析，建立外时钟采样技术的误差理论模型，推算出外时钟采样技术的采样误差表达式。同时，提出一种全新的算法对外时钟的采样误差进行实时测量，并结合理论公式对采样误差的影响因素逐一分析，通过优化相关参数，实现光频域反射技术的分辨率指标及传感定位精度的提升。此外，基于外时钟采样误差的分析结果，提出“软件时钟”的补偿方案，也可以同样实现光频域反射技术对应性能指标的提升。
　　（二）基于光纤中瑞利背向散射信号的产生原理，并结合前人相关的理论工作，从实际应用的角度提出了连续分布式应变检测的方法，并推算出相关的理论公式。实验结果表明，这种方法可以实现100m量程范围内的全光纤分布式应变检测。其应变传感灵敏度为3με，空间定位精度达到20cm。
　　（三）根据相关的理论研究，本文提出了基于光频域反射技术的多参量分布式传感的仪器制作方法。该仪器综合运用了光学、机械结构设计、计算机程序编写和系统综合开发等相关技术，可以实现温度、应变、磁场、电流等相关物理量的分布式传感。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 分布式光纤传感的理论与实验研究

1．2．1 基于拉曼散射的光纤分布式传感

1．2．2 基于布里渊散射的光纤分布式传感

1．2．3 基于瑞利散射的光纤分布式传感

1．3 OFDR技术的发展和应用

1．4 本课题的研究内容及目的

第二章 光频域反射技术的基础理论

2．1 光频域反射技术的理论

2．1．1 光频域反射技术的系统结构

2．1．2 光频域反射技术的信号模型

2．1．3 光频域反射技术中的激光器非线性调谐现象

2．1．4 光频域反射技术的相位噪声理论

2．2 OFDR系统的瑞利散射及菲涅尔反射信号模型

2．2．1 分立反射的功率谱信号

2．2．2 连续分布反射功率谱信号

2．3 常用的OFDR系统相位噪声的抑制及补偿方法

2．3．1 外部时钟采样法

2．3．2 算法补偿法

2．3．3 光源外调制技术

2．4 本章小结

第三章 光频域反射的非线型调谐效应的补偿方法

3．1 去斜滤波法的优化分析

3．1．1 去斜滤波算法的基本步骤

3．1．2 光源调谐非线性量的精确估算

3．1．3 去斜滤波法的优化效果仿真验证

3．2 外部时钟采样法的优化分析

3．2．1 外时钟采样技术的误差模型

3．2．2 外部时钟采样误差影响实验验证

3．3 OFDR系统中jitter补偿

3．3．1 外部时钟采样系统中‘'jitter'’的补偿原理及方法

3．3．2 外部时钟采样系统中‘'jitter”的补偿实验

3．4 本章小结

第四章 光频域反射传感系统仪器化设计

4．1 基于光频域反射技术传感系统仪器化总体设计要求

4．2．1 附加干涉仪的模块设计

4．2．2 主干涉仪的模块设计

4．2 光学模块设计

4．3 数据采集装置

4．4 计算机程序控制

4．4．1 光源的GPIB控制

4．4．2 自动化采集与处理程序

4．4．3 数据读取程序

4．4．4 系统程序界面设计

4．5 系统结构设计

4．6 传感光纤设计

4．7 本章小结

第五章 基于OFDR技术的分布式应变传感

5．1 基于光纤中的瑞利散射的分布式传感

5．1．1 光纤中的瑞利散射

5．1．2 基于瑞利散射光谱漂移的分布式传感原理

5．2 分布式应变的传感解调方法

5．3 分布式光纤应变传感相关实验

5．3．1 实验系统的基本结构

5．3．2 实验流程

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢