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双光束Ф-OTDR分布式光纤传感技术与应用

安阳  
【摘要】:伴随着光纤通讯技术的快速发展,光纤传感技术近年来得到了深入研究并已广泛应用于石油和天然气、航空航天、民用基础建设、交通运输等领域,其中,基于分布式光纤的传感技术凭借其得天独厚的技术优势,可以有效替代需大规模布放才可实现区域监测的点传感器,灵敏捕获光纤沿线由结构毁损或者外界入侵所产生的扰动信号,并精确定位扰动发生的位置,实现结构健康监测、管道安全预警以及周界安防等功能。其对于防患于未然,保障国民生产安全有着极其重要的意义,因此研究分布式光纤预警技术具有广泛的应用前景。 针对传统的相干光时域反射技术(Ф-OTDR)探测灵敏度受光源线宽影响较大的不足,本文将干涉测量技术与OTDR技术相结合,提出了双光束Ф-OTDR分布式光纤传感技术并进行了深入研究。主要研究内容包括: 1、提出了一种双光束Ф-OTDR分布式光纤传感技术并搭建了系统。该系统的定位原理与传统的Ф-OTDR系统类似,通过分析瑞利散射曲线中对应位置光强变化来定位外界扰动事件;区别在于该系统采用双光束背向散射曲线的干涉效应而非脉冲宽度内散射中心的干涉效应来探测外界扰动信号,由于发生干涉的两路散射光信号之间初始光程差较小,因此该系统对光源相干性的要求比传统的Ф-OTDR系统低,当使用非超窄线宽光源时,探测灵敏度显著提高。 2、现有Ф-OTDR型光纤传感技术在定位原理方面主要将采集到的原始散射曲线取平均然后相减来获得扰动事件的位置信息。在该方法的基础上,我们引入间隔参数并提出了一种新的差值算法对实验室采集到的原始信号进行处理从而实现了对外界扰动事件的探测及定位。实验结果表明,该算法可以及时检测外界扰动并进行精确定位。当脉冲宽度设为100ns时,系统空间分辨率可以达到10m,50次重复试验定位标准差在5m以内。 3、针对平均-差值算法仅仅从空域角度对信号进行处理而且差值曲线信噪比随着监测距离增加或者干扰信号影响而下降的不足,基于时域信号处理对扰动事件进行了分析。首先通过纵向切片方法提取扰动点对应的时域信号并应用快速傅里叶变换(FFT)及短时傅里叶变换(STFT)分析了时域信号的频谱特性及时频特性,然后利用小波滤波算法对信号进行处理并得到了标准差曲线以及时空图。处理结果显示该方法均效果明显,标准差曲线在复杂现场环境中仍能准确定位扰动事件并屏蔽过车干扰事件的影响,而且时空图实现了对扰动事件发生位置及时域性质的双重监测。 4、由于系统采用双光束干涉原理,因此需要考虑光纤双折射引起的偏振态退化问题。针对系统中出现的信噪比恶化、灵敏度下降问题,首先基于单模传感光纤的等效琼斯矩阵建立了该系统的等效光路模型并进行仿真分析得到系统灵敏度下降的主要原因;然后根据仿真分析结果,提出了系统偏振幅度衰落问题的解决办法,即通过对系统输入光进行偏振控制,找到合适的偏振态以使干涉光信号保持较大的振动幅度,从而使系统的探测灵敏度保持稳定。实验结果表明,施加偏振控制以后时域信号的信噪比得到了明显提升,从而验证了该方法的有效性。 5、在之前理论分析基础上,提出了基于双光束Ф-OTDR分布式光纤传感技术的管道安全预警系统并进行了现场实验。实验结果表明,系统监测距离可以达到20km,而且从标准差曲线中可以有效探测扰动事件并进行定位并能屏蔽过车干扰事件的影响;另外,从时空图中可以清晰地分辨出扰动事件与过车干扰事件,验证了该系统的有效性。


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