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布里渊散射分布式光纤传感器的理论分析和相关技术研究

余丽苹  
【摘要】: 大型基础工程如地下隧道、高架桥、跨江桥、江河堤和水利枢纽等构筑物,它们的使用期长达几十年甚至上百年,对它们进行健康监测的概念很早就提出了。这些大型建筑物在各种荷载和外部环境作用下会发生不同程度的变形,但由于这些变形在早期很微弱,具有①范围大、距离长;②监测部位隐蔽,不便于量测,或者根本无法量测;③实时性;④分布式等特点,致使传统监测手段难以胜任。为了实现对温度和应变等的分布式光纤传感,本文对目前研究较为广泛的各种分布式光纤传感技术,特别是基于布里渊散射的分布式光纤传感技术(简称BOTDR)的发展及研究现状进行了较为详细的论述。同时结合本课题的研究重点,对光纤中自发布里渊散射理论及其对温度/应变的传感机理进行了较深入的理论分析。在此基础上,提出了一种有效可行的基于布里渊散射的分布式光纤温度/应变传感系统——相干自外差的布里渊散射分布式光纤传感系统,并完成了部分实验研究。 与其他的BOTDR系统分别使用两台激光器不同,自相干外差的布里渊散射分布式光纤传感系统采用一台激光器,经耦合器分为两路光束——探测光和参考光束。同时在探测光路中引入一个光移频环路,使探测光移频后再经光纤中布里渊频移,其后向布里渊散射光频率与参考光束大致相当,可进行相干自外差探测,大大提高了系统的探测灵敏度以及系统的信噪比。在此系统基础上,本文讨论分析了相干自外差探测系统以及该BOTDR系统的动态范围、空间分辨率、最小可探测温度/应变变化量等重要性能参数。基于声光移频环路的重要性,本文还重点对声光移频的机理及声光移频环做了详细分析,并且完成了该部分的实验。由于实验所用的声光移频器没有光纤输入输出,故本文还采用自聚焦准直透镜对其进行光纤耦合,同时也进行了自聚焦透镜的附加损耗分析和测量。


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