基于光频域反射仪和螺旋光纤的分布式扭曲传感研究

摘要

分布式扭曲传感在涉及桥梁发生扭转形变的安全结构监测、自动化钻井作业中钻头及钻杆的运动参数实时反馈、医疗手术介入中探针及导管在体内复杂运动时的3D形状重构以及仿生机械结构的多自由度扭转运动测量等领域具有广泛的应用需求。光纤扭曲传感器由于其尺寸小、轻便、抗电磁干扰、灵敏度高等诸多优点得到广泛研究，但目前的光纤扭曲传感器大多是单点式测量，存在无法实现分布式测量的问题。针对上述问题，本文首先建立了光频域反射仪（Optical Frequency Domain Reflectometry,OFDR）的传感理论，设计并搭建了OFDR分布式传感系统，利用螺旋多芯光纤作为传感光纤，实现了基于OFDR和螺旋光纤的方向可识别的分布式扭曲测量，主要内容如下：　　1)推导OFDR系统的理论模型并讨论系统的空间分辨率、测量距离等重要参数，阐述基于后向瑞利散射光谱漂移的传感理论，同时，分析OFDR系统中存在的偏振衰落效应、光源的非线性调谐效应等关键问题。　　2)建立并优化OFDR分布式传感系统，采用偏振分集接收装置消除系统中的偏振衰落效应，利用平衡接收装置对系统中的相对强度噪声进行抑制，以及通过一维插值算法补偿光源的非线性调谐效应，最后，采用基于单模光纤的应变传感实验完成对所构建硬件及软件系统的功能性验证。　　3)提出基于OFDR和螺旋光纤的分布式扭曲传感方法及系统，在建立螺旋光纤的扭曲传感理论模型的基础上，阐明偏芯螺旋结构是实现扭曲方向识别的关键，理论模型及数值仿真表明扭曲传感灵敏度与螺距具有反比例关系，并且螺距较大时后向瑞利散射光谱漂移和扭曲之间呈非线性关系；螺距较小时，后向瑞利散射光谱漂移与扭曲呈近似线性关系。实验中，采用螺距为15.4mm和6mm的螺旋多芯光纤的扭曲传感灵敏度分别达到0.6pm/(rad/m)和1.9pm/(rad/m)，其分布式扭曲传感相邻传感点间隔达到9.4mm。最后，基于无螺旋结构光纤的分布式扭曲传感的对比实验进一步证实偏心螺旋结构是实现分布式扭曲传感方向识别的关键。

目录

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 光纤扭曲传感器的研究现状

1.2.1 单点式的光纤扭曲传感器

1.2.2 准分布式的光纤扭曲传感器

1.3 基于后向瑞利散射的分布式光纤传感技术概述

1.4 OFDR技术的发展与应用

1.5 本文的主要研究内容

2 光频域反射仪的基本原理

2.1.1 OFDR系统的基本结构

2.1.2 OFDR系统的信号模型

2.2 OFDR系统的相关参数

2.2.1 空间分辨率

2.2.2 激光器线宽与测量距离

2.2.3 激光器功率

2.2.4 采样频率

2.3.1 光纤布拉格光栅传感原理

2.3.2 瑞利散射光谱传感原理

2.4 偏振衰落效应

2.5 光源的非线性调谐效应

2.6 本章小结

3 光频域反射仪的实验系统设计

3.1.1 偏振分集接收

3.1.2 平衡接收

3.2 光源非线性调谐效应的补偿方法

3.3 基于OFDR的分布式应变传感实验

3.4 本章小结

4 基于OFDR和螺旋光纤的分布式扭曲传感

4.1螺旋光纤扭曲传感的理论模型

4.2 螺旋光纤的制备

4.3 基于OFDR和螺旋光纤的分布式扭曲传感实验研究

4.3.1 基于不同螺距的螺旋光纤的分布式扭曲传感

4.3.2 基于无螺旋结构的多芯光纤的分布式扭曲传感

4.4 本章小结

5 全文总结

参考文献

附 录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 学位论文数据集

致谢