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《重庆大学》 2015年
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基于φ-OTDR的光纤分布式宽频振动传感技术研究

何茜  
【摘要】:随着经济技术的发展,我国已进入大型基础设施的大规模建设阶段,其中主要包括地下传输系统(如给排水管道、燃气管道、煤炭传输系统),轨道交通系统(如高铁轨道、地铁轨道、轻轨轨道)和大型土木建筑(如大型桥梁)等,实际应用中需要监测这些长距离基础设施的健康状态,并且在故障发生时能迅速识别并报警。故障发生时常伴随应变、温度和振动等多个物理量的变化,其中振动是比较重要的测试参数之一,如管道的裂缝、泄漏,土木结构中材料的断裂等都伴随振动事件的发生,这些振动事件的频率范围可高达兆赫兹数量级。目前采用的监测方式主要为电传感器,该类传感器大都是点式传感结构、且易受到电磁干扰并需要实时实地电力供应。分布式光纤传感能对传感光纤沿线每一个位置实现远程实时监测,并且具有抗电磁干扰,体积小和多点测量等优势。目前,能实现真正分布式测量的系统主要基于后向散射原理,然而现有基于后向散射的分布式振动监测系统的频率响应范围受到监测距离的限制,特别是在长达几十甚至上百公里的长距离监测应用中。本文针对现有基于后向瑞利散射技术的光纤分布式振动传感中存在的问题,以长距离分布式振动监测中实现宽频率响应和高空间分辨率为目标展开研究,分析了相位敏感型光时域反射计(Phase-sensitive optical time domain reflectometry,φ-OTDR)的理论模型,研究了基于后向瑞利散射原理的分布式振动传感中频率响应的限制因素及其提高方法,在此基础之上,提出了三种有效拓宽分布式振动传感系统频率响应的方法,并在系统的理论架构、物理实现和传感性能测试等方面做了相关工作。论文的核心内容包括:①介绍了光纤中后向瑞利散射的物理机制以及φ-OTDR系统中振动传感的理论基础,分析了φ-OTDR振动测量中限制系统频率响应的因素。建立了φ-OTDR系统对外界振动测量的离散均匀采样模型,在此基础上提出并分析了三种拓宽系统可探测振动频率范围的方法,为系统搭建提供了理论基础。②提出并搭建了一种基于马赫曾德干涉仪(Mach-Zenhder interferometer,MZI)和φ-OTDR融合的分布式光纤振动传感系统。系统结合了MZI的宽频探测范围和φ-OTDR高精度定位的优势,采用一种新型调制光脉冲信号实现了两个传感系统的融合,外界振动信号的频率信息由MZI子系统解调得到,振动信号的位置信息由φ-OTDR子系统探测,该分布式振动传感系统能实现精确定位和宽频率响应的振动测量。为了解决该系统中可探测最高频率响应和位置信号信噪比相互制约的问题,在基于MZI与φ-OTDR结合的基础上,提出了一种基于时分复用技术的分布式光纤振动传感系统,通过时分复用MZI的准连续探测光和φ-OTDR的窄脉冲探测光,在保证精确定位的同时实现频率响应的进一步拓宽。③提出一种基于频分复用技术提高φ-OTDR系统的最高可探测振动频率响应的方法,为了突破传感光纤长度对频率响应范围的限制,在振动信号的周期非均匀采样模型的理论基础上,采用频分复用技术在一个测量周期内复用多个光频率的探测脉冲,通过提高一个测量周期内光纤沿线每个测量点的有效采样率,实现了高于奈奎斯特频率的振动频率测量,从而提高系统可探测频率响应范围,该方法的本质为对传感系统输入信号的优化。④提出在φ-OTDR系统中采用非均匀周期采样方法来提高系统可探测的最高振动频率,为了实现结构简单且具有成本优势的宽频振动测量系统,系统基于传统φ-OTDR结构,在基于非均匀周期采样模型的理论基础上,将时域非均匀分布的探测光脉冲注入传感光纤中探测外界振动,利用非均匀采样的欠采样特性实现系统可探测频率的提高,该方法的本质为对传感系统输出信号的优化。论文的主要创新点为:①提出并搭建了两种基于MZI和φ-OTDR融合的分布式光纤振动传感系统,分别通过调制脉冲和时分复用的方式实现了MZI和φ-OTDR的融合,解调MZI干涉信号得到外界振动的频率信息,由φ-OTDR子系统得到精确的振动位置。通过传统分布式干涉仪与φ-OTDR的结合,实现了分布式振动信号的精确定位和宽频率响应范围测量。②提出并搭建了一种基于频分复用技术以拓宽φ-OTDR系统的可探测频率响应范围的系统,通过频分复用技术增加了一个测量周期内探测光脉冲的数量,提高了光纤沿线每个测量点的有效采样率,该系统能够突破传感光纤长度对可探测振动频率响应范围的限制。③提出并搭建了一种采用非均匀周期采样的φ-OTDR系统,通过调制一组非均匀周期分布的探测光脉冲实现对外界振动信号的采样,从而实现高于奈奎斯特频率的振动频率测量,系统能够突破传感光纤长度对最高可探测振动频率的限制,具有结构简单,成本低等优势。
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TN253

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