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《东南大学》 2017年
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全光纤振动传感机理及高性能工程系统关键技术研究

潘超  
【摘要】:近年来全光纤振动传感技术及其工程应用系统研究得到极大的重视,各类大科学工程系统不断涌现。随着工程应用的深入,现场反馈出一系列难以解决的科学问题。本文以全光纤振动传感机理及高性能关键技术为研究对象,在课题组前期研究工作基础上,对工程系统涉及到的外界物理量、光纤材料、载波相位之间的互作用机理、信号处理等问题进行了深入研究。首先,建立了全光纤外力感知张量模型,求解出轴向外力、均匀径向辐射力及径向点力在光纤内部各点产生的应力、应变场及它们引起的光纤形变。推导得出外力引起的光纤内部各点相对介电常数张量的变化。基于所建立的张量模型,分析了外界振动对光纤纤芯、包层材料特性的影响,发现光纤纤芯、包层材料转变为各向异性,其相对介电常数张量发生动态变化。接着,基于全矢量磁场方程,建立了各向异性光波导模式有限元求解模型(AOWG-FEM),编写了 AOWG-FEM程序。该程序计算精度高,适用于求解各种各向异性光波导模式问题。仿真和分析了外力、外界振动对光纤中导波模传输特性的影响。发现在外力及外界振动作用下,单模光纤的基模仍然是HE11模,但其有效折射率随外力、外界振动幅度线性变化或产生偏振效应。分别分析了在轴向外力、均匀径向辐射力、径向点力及外界振动作用下HE11模传播常数及相位感知灵敏度。提出了基于硅光子集成的片上光传感信号处理模块的构想,提出并优化设计了 ADC模式复用/解复用、表面金属涂覆SOI非偏振敏感1×2 MMI功分器、基于十字交叉SOI槽波导生物化学传感芯片等无源单元。然后,提出了基于全光纤Sagnac干涉仪、光时分复用及脉冲幅值提取式解调解复用技术的准分布式振动传感系统。深入研究了该传感器系统性能,发现偏振态随机变化是影响系统性能的主要因素。提出并实验验证了增敏光纤感知灵敏度提升法、宽带光源偏振补偿法、PI控制的多通道增益均衡及稳定算法等。接着,深入研究了基于Sagnac-OTDR的分布式振动传感与定位技术。基于Sagnac干涉理论和OTDR机理,建立了传感光纤沿线单点、两点和N点分布式全光纤振动传感与定位理论模型,完整分析了分布式全光纤振动传感系统性能,包括感知灵敏度、定位精度、空间动态范围、振动频率响应特性及偏振特性等。提出并实验验证了同步矩形相位调制感知灵敏度提升法、基于平均算法的定位精度提升法、平衡探测/参考迹线相消/周期时延相消盲区消除法、系统空间动态范围增益均衡拓展法等,保证了传感系统高性能。最后,研制了准分布式和分布式全光纤振动传感工程应用系统。研制了准分布式全光纤振动传感系统终端设备,包括内部光信号接收与处理模块、数据采集与处理参数控制模块及主控单元。按照用户需求,设计和实施了基于准分布式全光纤振动传感技术的周界安防工程示范系统。系统可支持的传感单元最长为19km,传感单元的最大复用数为32,传感通道之间的光传输路径长度差的最小值为400m,可实时检测出振动事件并确定其所发生的区域,响应时间ls,具有光纤链路检测功能,实时反馈各传感单元链路的通断状态。研制了分布式全光纤振动传感与定位工程应用系统终端设备,包括光源驱动模块、干涉光路模块、光信号接收与处理模块及数据采集与处理参数控制模块。系统技术性能与电磁兼容测试已分别通过江苏省计量科学院的检测和认证。搭建了若干基于分布式全光纤振动传感技术的周界安防工程示范系统,完成系统调试和后期跟踪维护。运行结果表明:周界入侵事件定位精度优于±5m,误报率低于5%,漏报率低于1%,系统响应时间2s。
【学位授予单位】:东南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN253

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