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《北京交通大学》 2018年
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时分/波分复用光纤传感系统及其关键技术研究

田恺  
【摘要】:随着光纤技术和计算机技术的发展,构建具有更完善的性能、更适应大型工程应用监测的大型分布式光纤传感网络,具有重要的研究价值和工程意义。在此背景下,论文提出了一种基于波长可调谐光时域反射仪(TOTDR)的时分/波分复用(TWDM)光纤传感技术方案,通过对TOTDR、超弱反射光纤布拉格光栅(UW-FBG)、光纤切趾等核心技术的理论分析与实验制备,成功搭建了基于时分/波分复用的光纤传感系统在大容量分布式光纤光栅传感和无源光网络(PON)在线监测中应用的实验系统。为了提高上述传感系统的空间分辨率,论文提出了基于可调谐锁模光纤激光器的超窄脉冲TOTDR技术方案,并对基于硅基液晶(LCoS)的可调谐锁模光纤激光器进行了深入的理论分析和实验研究。论文所完成的主要工作如下:(1)基于分布反馈激光器(DFB)阵列的波长可调谐光时域反射仪的研制。设计了基于DFB激光器阵列可调谐光源模块,研制了光源模块样机并对其性能进行了测试,该光源模块可以实现10ns~10us的脉冲输出,输出功率在-30dBm~8.8dBm的范围内连续可调,波长调谐范围时27nm,调谐精度1.4 pm。设计并优化了动态范围可调的低噪声、宽带宽、高脉冲响应的TOTDR光电检测模块,单路检测带宽107.3MHz,增益53dB,可实现三档增益切换。在此基础上,提出并研制了基于DFB激光器阵列的TOTDR实验样机,并对暗电流效应、平均次数、脉冲宽度、档位切换、波长调谐对测量结果的影响进行了分析与讨论。(2)基于动态光学遮蔽板的切趾光栅二次曝光制作系统的研究。首先用耦合模理论和传输矩阵法详细分析了切趾光栅的光学特性、二次曝光法制作切趾光栅过程以及欠补偿和过补偿等非理想性对光栅光学特性的影响。在此基础上,提出并研制了一套基于动态光学遮蔽板的程控切趾光栅二次曝光制作系统,可以实现对光栅折射率分布的准确控制。在所搭建的实验制作平台上分别制作了均匀光纤光栅、线性切趾光栅、高斯切趾光栅和Nuttall切趾光栅。实验结果表明,不同光栅均表现出了与设计目标基本一致的光学特性。(3)基于UW-FBG和TOTDR技术的光纤分布式传感系统与关键技术研究。首先理论分析了 TWDM信号在光纤中的传输特性,提出了 TWDM的网络规划方法和系统容量分析方法。通过在22个不同波长上开展峰值反射率小于-30dB的UW-FBG的小批量研制,以所研制的TOTDR为光信号发送和解调单元,搭建了具有22个波长、每一波长上的UW-FBG数量不少于30个的时分/波分光纤光栅传感实验系统。该系统可以实现27nm的波长调谐,光栅波长解调精度为1.4pm。相同波长的UW-FBG最小间隔为12m。如果采用TWDM技术将不同反射波长的UW-FBG进行组网,可以使平均最小间距缩小到0.55m。在该实验系统上所进行的准分布式温度传感实验结果表明,UW-FBG波长-温度系数为11.88 pm/℃,系统的温度分辨率为0.1℃。(4)基于TOTDR和光纤光栅的PON网络在线监控系统的研究。首先根据PON监控要求提出了一种基于TOTDR和强反射光纤光栅(反射率98%)做为终端滤波器PON网络在线监控系统架构。通过在32个不同波长上开展平均反射率大于98%的强反射光纤光栅的研制,搭建了基于TWDM基本原理的PON网络在线监测实验系统。分别测试了 PON支路的识别能力、TDM和WDM复用能力。实验结果表明,该系统可以满足1×64 PON网络监控需求。(5)用于光纤光栅传感系统的可调谐窄脉冲光源的研究。为了实现高空间分辨率的TOTDR,本论文对可调谐飞秒脉冲光源——基于硅基液晶(LCoS)大规模光学集成芯片的可调谐锁模光纤激光器进行了深入的理论分析和实验研究。首先以纯相位型液晶空间光调制器为基本控制元件,设计并研制了基于LCoS的波长和带宽均可大范围调谐的光学滤波器。通过建立较为完备的基于饱和吸收体的被动锁模光纤激光器的理论模型,应用迭代的对称分步傅里叶方法和行波模型对锁模光纤激光器内的脉冲形成以及腔内各参数对脉冲的影响进行了数值仿真。在此基础上研制成功了基于LCoS的环形腔可调谐锁模光纤激光器。实验结果表明,该宽带可调谐锁模光纤激光器可以实现输出中心波长与输出脉冲宽度的连续可调,中心波长调谐范围1530~1560 nm,输出脉冲宽度调谐范围7~50ps。理论分析表明,使用该光源的TOTDR传感系统可以使系统的空间分辨率提高至0.01m,但相关的信号解调模块还需要进行大量的进一步研究。
【学位授予单位】:北京交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TN248;TP212

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