一、光时域反射仪在光纤损耗测试实验中的应用（论文文献综述）
王洋[1]（2021）在《基于宽带布尔混沌的光纤故障特性检测》文中进行了进一步梳理光时域反射仪是用于检测光纤故障和光纤连接点损耗的专业设备,由于其具有检测精度高、测量距离远、无损伤探测等优点,已被广泛应用于宽带互联网中的光纤链路检测与维护。光时域反射技术的基本工作原理是依靠分析光纤注入端接收的背向瑞利散射信号和菲涅尔反射信号与传输时间的关系来检测光纤故障特性,如连接点、熔接点、弯折、断裂、光纤损耗等事件。目前,国际上普遍使用的光纤检测技术是脉冲光时域反射技术,但是该技术具有原理性技术缺陷,即存在动态范围与空间分辨率无法同时提高的原理性矛盾。在量程大于百公里的情况下,其最大误差达数十米,无法满足光纤入户网络（Fiber To The Home,FTTH）、大数据中心等应用场合中对于光纤链路进行长距离、高精度（厘米级）检测的需求。基于光子计数的光时域反射技术为了扩大动态范围会增大激光脉冲的带宽,从而降低空间分辨率,而且需要较长的测量时间和对测试数据的校正,在实际应用中具有局限性。采用伪随机码调制的光时域反射技术通过增加码长来扩大动态范围,同时不会降低空间分辨率;但是,由于需要昂贵的电随机码调制器调制激光器产生随机码序列,而且电随机码调制器在产生周期过长的随机码时遇到了技术瓶颈,限制了动态范围和空间分辨率的大幅提升。随着光纤通信技术和光纤到户技术的飞速发展,研制一种精度高、性能可靠、成本低的光时域反射仪成为光纤故障检测的迫切需求。本文提出了基于直接调制技术的光时域反射仪,采用宽带布尔混沌信号作为信号源,并以此信号直接调制分布式反馈激光器,从而产生宽带混沌激光,对光纤进行故障检测。实验结果表明本文提出的光时域反射仪可以实现在大约70 km的测量范围内,实现了14 cm与探测距离无关的空间分辨率,达到了预期效果。本文提出的光时域反射仪较好地解决了光纤链路中动态范围与空间分辨率无法同时提高的问题,有望应用于实际工程中。本文较系统的研究了基于宽带布尔混沌的光纤故障检测方法,主要工作包括:（1）提出了利用宽带布尔混沌电信号直接调制半导体激光器,从而产生混沌激光的方法;（2）在仿真环境下产生了宽带布尔混沌电信号,并以此电信号作为信号源,根据半导体激光器的速率方程在仿真环境下产生了混沌激光;（3）在实验环境下产生了宽带布尔混沌电信号和符合系统要求的混沌激光;（4）根据方案设计搭建实验装置,对光纤进行不同故障类型检测。
张怡松[2]（2021）在《基于受激布里渊散射的分布式光纤传感系统关键技术研究》文中提出几十年来,基于布里渊光纤散射的分布式应变和温度传感技术,已经引起了广泛的关注。迄今为止,已经采取了多种方法来获取有关布里渊增益谱（BGS）分布的信息,从中可以得出应变或温度变化的幅度和位置。其中的布里渊光学时域分析（BOTDA）性能甚至达到了亚厘米级的空间分辨率。但是,实用的BOTDA分布式应变和温度传感技术存在测量时间长,温度与应变同时测量互相干扰,现场测试时需要的准备工作繁琐复杂等不足。论文比较了各种布里渊传感器的性能。分析布里渊散射过程BOTDA系统的功率阈值与主要性能参数。根据受激布里渊散射理论,仿真了布里渊散射频谱与三波耦合模型。针对BOTDA系统进行设计,详细分析了 IQ调制器,SOA脉冲调制器,脉冲光光纤放大器,微波信号源等关键实验器材的参数选择与型号选取,从而完成了系统的初步参数设计。基于以上分析,搭建了测试光纤长度为22.5km的BOTDA分布式传感系统。对于泵浦脉冲光伴随的连续泄露光,光信号偏振态混乱和系统非局域效应等带来的噪声,理论分析了各自产生噪声的原因及对系统的影响,针对性的提出了提高脉冲光消光比,偏振控制器改善偏振态和提高探测光单边带信号的抑制比来减少噪声的实验方案。得到了消光比40dB的泵浦脉冲光和载波抑制比30dB,谐波抑制比24dB的高抑制比的单边带探测光。针对数据采集器采样率,检测时间与信噪比的矛盾,对光电探测器采集到的时域信号进行频谱和时域分析,并针对时域信号噪声的特点提出了使用MATLAB进行叠加平均处理降噪的方案,实验结果能够很好的改善时域噪声。论文还梳理了 BOTDA系统的数据处理流程。论文研究布里渊频移与温度/应变的关系。实现了 BOTDA系统的光纤布里渊本征增益谱温度测量,验证系统22.5km的传感距离,布里渊频移量与所得温度变化量的线性关系。通过仿真验证了温度变化区域定位方法,仿真结果与理论分析一致,取得了较好的仿真效果。
李健[3]（2021）在《高性能拉曼分布式光纤传感仪关键技术研究》文中提出拉曼分布式光纤传感技术可实现温度的大范围高精度监测,在桥梁隧道、油气管线、智能电网等大型基础设施结构健康监测领域具有重大社会需求和应用前景。然而,拉曼分布式光纤传感系统其传感信号为强度极弱的自发拉曼散射信号,且传感光缆多铺设于光纤损耗较大的野外恶劣环境,存在信噪比（Signal-to-noiseratio,SNR）较低的技术瓶颈。增加探测脉冲宽度可提高系统SNR,进而提高系统测温精度和温度分辨率,但会降低系统空间分辨率。因此,如何有效提高拉曼分布式光纤传感系统的SNR,同时兼顾空间分辨率性能,是该系统性能提升的关键科学问题。此外,拉曼分布式光纤传感目前只能实现温度这一单参量检测,无法实现其它多种物理参量的协同检测以及对灾害前期温度突变位置的精准定位及预测,这也是拉曼分布式光纤传感仪在应用中亟待解决的关键技术瓶颈。针对上述科学问题和技术瓶颈,在国家重大科研仪器研制、山西省科技攻关等项目的资助下,开展了“基础理论与方法-仪器开发与研制-工程研究与应用”的系列研究工作。本论文基于改进型光纤拉曼传输方程的理论基础研究,提出了多项关键方法和技术用以提升系统测温精度、温度分辨率和空间分辨率性能。此外,还提出了一种基于拉曼斯托克斯光损耗分析及温度协同效应的双参量检测方案,实现了光纤沿线分布式温度和结构裂隙的协同监测。同时提出了一种基于深度学习的超前预警技术,解决了当前分布式光纤传感仪在面向灾害安全监控领域无法进行预测报警的难题。基于上述新型传感方案,以“提升能源安全保障能力”为目标,研发了高精度拉曼分布式光纤传感仪和双参量拉曼分布式光纤检测仪,并成功应用于山西省沁水输气管道和山西省西山煤田安全监控领域,为输气管网燃气泄漏、煤田采空区、煤矿巷道等治理区域自燃隐患点位置的精准判定提供了解决方案。本文主要研究内容和研究结果如下:（1）在高测温精度拉曼分布式光纤传感领域,针对系统测温精度受限于雪崩光电探测器（Avalanchephotodetector,APD）的光电响应增益、光纤温度敏感性、光纤色散和光纤突变损耗的科学难题,本文首先通过建立光纤拉曼散射温度调控模型,理论揭示了上述因素对系统测温精度的影响。然后基于改进型拉曼传输方程的理论机理研究,提出了多种新型传感解调方案用以提升系统测温精度。首先提出了一种动态增益校准方法用以校准因APD温漂导致系统测温精度降低的问题,在10.0 km的传感距离上将系统测温精度从6.4℃提高至1.2℃。进一步提出了一种差分温敏补偿方法用以解决传感光纤温度敏感性随传感距离增加而逐渐恶化的问题,将系统测温精度提高至0.36℃。此外,在面向实际工程应用领域,提出了光纤色散差分补偿法和联合参考光纤温度的双端环路解调法,解决了因拉曼双波长差异和光纤突变损耗导致系统测温精度下降的问题。（2）在高温度分辨率拉曼分布式光纤传感领域,针对系统温度分辨率受限于SNR的技术瓶颈,本文提出了一种动态差分衰减识别方法用以解决传统系统定标通道光干扰噪声对温度分辨率性能的影响。此外,该方法在温度测量前无需进行全光纤定标处理,简化了系统解调过程。实验结果显示,通过抑制定标光干扰噪声,该方法可以将系统SNR提高至13.32 dB,在17.0 km的传感距离实现了 0.18℃的温度分辨率性能。最后,在大温度测量范围下,本文仿真研究了单路解调系统、双路解调系统和光纤衰减对温度分辨率性能的影响。（3）在高空间分辨率拉曼分布式光纤传感领域,针对系统空间分辨率受限于光源脉冲宽度的科学问题,本文提出了 一种基于自发辐射源（Amplifier spontaneous emission,ASE）相关函数时域压缩解调的新机理和新方案。该方案以ASE源取代脉冲激光作为探测信号,首先建立了光纤ASE拉曼散射温度传感调控模型,通过对传感光纤激发的后向拉曼反斯托克斯散射信号进行时域差分重构,以此剥离出各个位置点携带ASE源时序特征的拉曼反斯托克斯信号。然后基于相关函数进行时域压缩解调,揭示了 ASE拉曼散射温度调制光场空间位置与ASE参考信号的相关特性,提出了光纤突变温度与相关峰峰值关系的解调方程。仿真结果表明,系统在10.0 km的传感距离下可以将传统米量级的空间分辨率性能提升至7.5 mm,最为关键的是,该方案实现的空间分辨率性能与传感距离无关。（4）在基础设施结构健康安全监控领域,要求拉曼分布式光纤传感可以同时监测结构裂隙和环境温度变化信息。针对此应用需求,本文提出了一种基于拉曼斯托克斯光损耗分析及温度协同效应的新型双参量光纤传感方案,用以实现光纤沿线分布式温度和结构裂隙协同监测。该方案基于光纤环路温度解调方法进行光纤沿线分布式温度信息提取,基于光纤拉曼斯托克斯光损耗分析方法进行结构裂隙范围检测。实验结果表明,该方案在保证光纤沿线高精度温度测量的同时,基于拟合后的拉曼斯托克斯光损耗强度可以实现1.6 mm至5.6 mm的裂隙范围检测和0.4 mm分辨率的裂隙检测。（5）针对能源开发与运营安全监控领域要求拉曼分布式光纤传感在各类灾害发生前快速精准测量出光纤沿线的温度突变位置信息的应用需求,本文提出了一种基于传感光缆温度变化率与环境差异的热传递函数超前预警技术,解决了系统因传感光缆温度传递滞后效应带来响应时间恶化的难题,实验结果显示系统的温度传感响应时间可以从23.4 s优化至1.3 s。进一步,提出了一种基于多阶实时移动平均法的深度学习数据挖掘和融合预警技术,对光纤沿线的历史温度传感数据进行数据挖掘分析并建立预测模型,实验实现了超前近60 s传感光缆沿线的温度变化准确预测,解决了当前分布式光纤传感仪在面向灾害安全监控领域无法进行预测报警的难题。（6）以“提升能源安全保障能力”为目标,为满足山西省输气管道和煤田自燃安全监测领域对高精度和双参量协同监测的需求,本文基于上述提出的各项性能提升关键方法和技术,开展了新型拉曼分布式光纤传感系统集成化、仪器化研究,研制了高精度拉曼分布式光纤传感仪和双参量拉曼分布式光纤检测仪,并成功应用于山西省沁水输气管道和山西省西山煤田安全监测领域,为输气管网燃气泄漏、西山煤田采空区、煤矿巷道等治理区域自燃隐患点位置的精准判定提供了解决方案。
胡洲畅[4]（2021）在《Φ-OTDR传感技术在铁路安全监测中的应用》文中指出基于相位敏感型光时域反射计（Φ-OTDR）的分布式光纤传感系统是目前最为广泛使用的光纤测振方案之一,其具有结构简单,铺设方便,抗电磁干扰,抗腐蚀,传感距离长,可形成监测网络等优点。对于该技术而言,解调瑞利散射光的光相位有着重要的意义,相对于外界扰动引起的直接光强变化而言,光相位与外界环境的变化总体上成线性关系。其中,数字正交解调算法是基于外差相干检测Φ-OTDR的一种常用的获取相位的手段,但由于拍频信号本身的性质,如果在采集原始信号后做数字解调处理,通常需要高于拍频频率2倍及以上的高速采集卡来获取拍频信号。本文从带通信号的欠采样定理出发,阐述了使用低于奈奎斯特频率采样率来获取拍频信号的可能性,并给出了采样率与拍频信号带宽的严格约束关系。实验结果表明,即使使用较低的采样率,也能完整且不失真地获取拍频信号的相位信息与振动定位信息,这对于降低外差相干Φ-OTDR系统的采样率需求与计算负担有着重要意义,进而使得该系统的实时在线监测性能得到进一步的提升。本文的主要内容包括:介绍了分布式光纤传感系统的国内外研究现状,阐明了相位敏感型光时域反射计的优越性与目前的应用现状,以及相位解调技术的研究进展;从瑞利散射的基本原理出发,推导了Φ-OTDR技术的相位调制与解调原理,详细分析了基于此的两种Φ-OTDR系统结构及其对应的解调算法;将Φ-OTDR系统做离散化处理后,进行了模块化的仿真模拟,仿真结果较好地实现了拍频信号的欠采样相位解调;后续的进一步解调实验验证了外差相干检测Φ-OTDR使用低速采样率的可行性与相位解调,差分定位结果的准确性,同时验证了基于直接探测型Φ-OTDR系统的时域强度信号重构解调算法;最后,搭建了基于外差相干检测Φ-OTDR的集成化系统,并将其应用于国内某段铁路的实际检测中,实验结果表明了该系统对于列车运行状态检测与定位的准确性。
熊吉[5]（2021）在《基于时频压缩的高性能瑞利散射型光纤分布式传感研究》文中研究说明瑞利散射型分布式光纤传感由于其响应速度快、灵敏度高、传感距离长等优点成为了近年来的研究热点,已经初步应用到地震波监测、地质勘探、智能交通、大型结构健康监测等领域。常见的瑞利散射型分布式光纤传感有:适用于动态应变传感的相位敏感型光时域反射计（phase-sensitive optical time domain reflectometry,Φ-OTDR）、可用于动静态温度和应变传感的相干光时域反射计（coherent OTDR,COTDR）和光频域反射计（optical frequency domain reflectometry,OFDR）。目前基于瑞利散射的分布式光纤传感系统各项性能参数之间相互耦合,且频率响应带宽、空间分辨率、测量范围等性能参数受限于传统电学设备的电子瓶颈,使得传感系统的综合性能提升存在巨大的挑战。为此,本论文对传感系统的频率响应带宽、最小可测应变、测量摆率等性能指标的限制因素进行了系统性分析,并以此为指导,分别提出了正负频复用、脉冲压缩COTDR、频域子啁啾脉冲提取算法（sub-chirped-pulse extraction algorithm,SPEA）、时域SPEA等技术。以啁啾脉冲的时域压缩为基础实现了传感系统的频率响应带宽、传感距离、最小可测应变、测量摆率等参数的提升;以啁啾信号的频谱压缩为基础,突破了接收机带宽对COTDR传感系统空间分辨率和测量范围的限制。本文具体的研究内容如下:（1）针对相位解调Φ-OTDR频率响应带宽与传感距离、接收机带宽之间的相互限制,提出正负频复用来提升系统频谱利用率,从而在不牺牲其他参数和不增加接收机带宽的前提下,实现频率响应带宽的提升。从信号处理的基础理论出发,推导了正负频复用实现的原理,阐明了如何使用负频带资源来倍增传感系统的最大可用带宽。提出将数字幅度预失真引入到单边带调制中,提升了调制信号的有效输出功率和边带抑制比,为高性能的正负频复用奠定了基础。从理论和实验上证明了正负频复用不会对传感系统信噪比造成影响。最后,利用正负频复用良好的兼容性,结合时域脉冲压缩技术、分布式拉曼放大技术和频分复用技术,在103 km的光纤上实现了频率响应带宽为10.8 k Hz的动态应变传感。相比于传统Φ-OTDR,频率响应带宽的提升超过了20倍。（2）针对传统COTDR传感系统空间分辨率与最小可测应变相互限制以及频率响应带宽低的问题,提出了时域脉冲压缩COTDR,可以在不牺牲空间分辨率的前提下,减小最小可测应变;提出了频域SPEA,克服了COTDR传感系统频率响应带宽低的缺点。通过计算无偏估计量方差下限的方法,推导出了相干探测瑞利散射图样解调COTDR可测应变的克拉米-罗下界（Cramér-Rao Lower Bound,CRLB）,并以此为指导,提出使用时域脉冲压缩技术来突破瑞利散射图样解调COTDR空间分辨率与最小可测应变之间的相互限制。针对COTDR传感系统需要多次扫频来获取完整瑞利散射图样导致频率响应带宽低的问题,通过对散射信号的频域特性分析,提出了基于频域SPEA的COTDR传感系统,实现了瑞利散射图样的一次性获取,从而在原理上可将系统的频率响应带宽提升两个数量级以上,并在实验上实现了237倍的提升。最后,充分探索了系统在动态应变传感、低频响应、抗噪声性能、长距离传感等方面能力,展示出了相比于与传统相位解调Φ-OTDR、单频脉冲COTDR传感系统、啁啾脉冲Φ-OTDR等系统的明显优势。（3）针对基于COTDR传感系统空间分辨率和测量范围受限于接收机带宽的问题,提出时域SPEA,并与去啁啾技术相结合,极大地降低了传感系统对接收机带宽的需求。利用去啁啾技术的频谱压缩特性,将大带宽瑞利散射信号压缩为小带宽接收信号;并通过对该信号时频特征分析,提出了时域SPEA,实现了大频率范围瑞利散射图样的获取,从而实现了高空间分辨率、大测量范围的应变传感。静态应变传感实验表明此方法与OFDR传统解调方法相比明显地减小了粗大误差。在920 m的瑞利增强光纤上实现了60με的测量范围和28.4 cm空间分辨率的动态应变传感,最小可测应变为80.7 pε/（?）。与基于瑞利散射图样的COTDR相比,在相同的空间分辨率和测量范围的性能下,接收机带宽的需求减小了约9倍。综上所述,本论文聚焦于瑞利散射型分布式光纤传感综合性能的提升,通过分析关键性能指标的主要限制因素,提出相应的提升方法,为瑞利散射型分布式光纤传感的性能极限探索提供了新思路。
邢贯苏[6]（2021）在《基于移频外差的光时域反射技术研究》文中研究说明光时域反射技术是光纤链路检测与光纤传感中的关键技术之一,具有重要的研究价值,实现具有简单结构和高性能的光时域反射计（OTDR）系统一直是研究的热点。外差检测技术能够实现高灵敏度检测,广泛用于OTDR中。本文针对基于声光移频和外差检测的OTDR技术进行了研究,主要开展了两个工作:1.提出了一种利用任意波形发生器和声光移频器来对光信号进行波长编码的方法。这一方法作为对传统波长编码方法的改进,将移频产生的两个不同波长的脉冲作为探测脉冲光和参考脉冲光,当两个脉冲光的时间间隔等于探测脉冲光在光纤中的飞行时间时,产生频率为两脉冲频率差的拍频信号,以此确定反射点位置,改变光脉冲时间间隔就能实现对整段光纤测量。该方案具有调谐速率快（35ns）和产生拍频信号线宽小（1MHz）的优点,同时也降低了对接收信号带宽的要求。通过仿真和实验对方案进行了验证,对6.15km光纤进行测量并从时域和频域对结果进行分析,实现了66dB信噪比和5m空间分辨率。2.提出了基于移频外差的频率脉冲光纤故障检测方法。用频率调制脉冲信号作为信号光和本振光,两路光外差检测在一个周期内产生两个拍频信号,测量它们之间的相对时间间隔就能得到故障点的位置。这种方法不需要对光纤扫描只需要进行一次测量,同时保留了不需要测量信号传输的绝对时间只需要测相对时间的特点,使用连续光还能够避免非线性效应与光浪涌现象。实验结果表明在光纤长度小于光源相干长度的相干条件下,通过小波去噪处理可以观察到稳定连续的拍频信号,对30km光纤测量实现了12.31dB信噪比和5m空间分辨率。在光纤长度接近甚至超过相干长度的部分相干条件下,干涉效应不明显导致空间分辨率劣化,对70km光纤测量具有5.33dB信噪比和500m空间分辨率,提出一种小波阈值去噪方法进行处理将信噪比提升到30.79dB。
孟金昌[7]（2021）在《基于相位漂移补偿的Φ-OTDR系统事件快速定位方法》文中研究说明相位敏感型光时域反射计（Phase-sensitive Optical Time Domain Reflectometer,Φ-OTDR）是一种新型全分布式光纤传感技术,能够承受较高压力,并且检测范围很广,而由于光纤的特殊性,它还能够耐腐蚀,灵敏度也特别高,自然就成为了通信等各个领域研究发展的一种重要技术。相比于其他现有的光纤传感技术,Φ-OTDR的主要优势在于能够检测更加微弱的外界振动信息,更为重要的是,我们可以通过解调光信号的幅值、相位信息以此来恢复乃至还原外界振动事件。目前在Φ-OTDR系统中我们一般使用幅值检测对振动事件进行分析,这种方法很难对事件进行定量分析。另外,Φ-OTDR系统的一些参数,如动态范围和灵敏度等,受限于激光器的线宽、脉冲以及频率稳定性等,因此激光器在Φ-OTDR系统中起到非常重要的作用,如果使用的窄线宽激光器的频率有很大的漂移,则会使所得曲线失真,这不仅会降低系统信噪比,还会降低系统感知微弱、低频事件的能力。Φ-OTDR的主要原理是通过传感光纤中的背向瑞利散射光来进行定位的,使用激光器向光纤中发射光脉冲,通过光纤中的背向瑞利散射光的传回时间并结合光速来测定空间位置,根据背向瑞利散射光的幅值和相位还可以获取和还原外界环境中的扰动信息。然而,Φ-OTDR是一种分布式传感器,探测范围越大,所需处理的信号数据量也就越大,这就造成了信号实时处理以及数据存储的困难,另外,在相干探测Φ-OTDR中,由于信号载波的存在,对数据采集卡的采样率也提出了更高的要求,更成倍增加了信号数据量和计算机处理难度。这些因素限制了Φ-OTDR光纤传感系统在工程上的应用范围。针对上述Φ-OTDR的不足之处,本文提出基于相位漂移补偿的Φ-OTDR系统事件快速定位方法,能够解调出光纤所处环境中的干扰造成的瑞利背向散射光相位变化,恢复干扰信号的幅值和相位信息,实现定量检测目标信号的强弱。通过进行频漂补偿、改进数据处理算法使得长距离Φ-OTDR系统能够应用于工程。本文具体的工作内容介绍如下:（1）本文介绍了光纤传感技术的理论基础,以及光纤中的散射在传感、通信等领域中的应用,基于瑞利散射光的理论模型分析Φ-OTDR中幅值和相位解调的依据,阐述了目前常用的几种Φ-OTDR结构以及相应的解调算法,并指出它们各自的优缺点,简要分析了影响Φ-OTDR系统性能的因素。（2）本文分析了Φ-OTDR正交解调的原理以及相位提取的方法,研究讨论了正交解调对Φ-OTDR系统空间分辨率的影响,基于实验详细说明对正交解调的相位结果进行相位解卷绕的过程,分析解卷绕结果与真实扰动信息之间存在的偏差,验证相位二次解卷绕的必要性。（3）提出了一种Φ-OTDR频率漂移的相位补偿算法,补偿由激光频率漂移引起的相位变化,减弱甚至消除了激光器的频漂对Φ-OTDR系统传感性能的影响,并提高了Φ-OTDR恢复振动事件的准确性。该算法计算量小,对计算机负荷较轻,可以实时对激光器频率漂移进行补偿。（4）提出一种Φ-OTDR系统事件快速定位方法,通过由大到小逐步定位的方法解决了Φ-OTDR光纤传感系统相位解调数据运算量大的难题。
宋忠康[8]（2021）在《分布式光纤传感用于远程安防及结构监测若干实用化技术研究》文中研究指明基于分布式光纤传感技术的新型传感系统,利用普通光纤作为传感元件,具有性价比高、精度高、耐高温、动态范围大、可远程实时监测、可测量点数多、分辨率高等优点,是一种高效并且稳定的监测传感系统。基于分布式光纤传感技术的新型传感系统不仅能应用在周界安防监测,输油管道监测,智能电网构建等需要远距离、大范围的工程上,而且可以应用在航空飞机结构健康监测,以及实时监测复合材料成型过程应变或温度变化测量等需要高精度,高分辨率的试验工作中。而传统的电学传感器监测方案精度低,且难做到大范围的分布式监测,同样,基于光纤光栅的点式或者准分布式光纤传感系统,精度虽高,但动态范围很难提高,且成本较高。本文主要针对分布式光纤传感应用中的若干实用化技术进行了研究,主要分为以下几个方面:（1）首先介绍了分布式光纤传感器的种类和特点,讲述了分布式光纤传感技术研究现状,然后讲述了对应的基本理论,以及基于相位敏感光时域反射和相干光频域反射技术的原理和研究现状。（2）阐述了光纤中的散射现象以及三种散射光的成因和特点,介绍了基于三种散射光的分布式光纤传感系统,重点介绍了相敏时域反射和相干光频域反射分布式传感系统的基本原理以及定位监测原理。（3）为了提升分布式光纤传感系统的监测性能,尤其是对系统至关重要的信噪比和监测距离这两个性能参量,针对两种常见的光电探测器进行了原理介绍和噪声分析,选取PIN光电探测器加运算放大器方案代替原来的APD光电探测器模块,测试了不同的光电探测器模块对稳定脉冲探测的性能,APD和PIN光电探测器模块信噪比分别为12.68d B和23.17d B。为了将分布式光纤传感系统应用于远程安防中的扰动和定位监测,研究了远程泵浦放大技术,并将无中继远程泵浦放大系统复用到相位敏感光时域反射扰动监测系统中,并且得到了较好的效果,可监测距离明显提升。（4）针对以上两点改进了基于相位敏感光时域反射扰动监测系统,并优化了整个系统的设置,利用Matlab中的工具,对信号进行分析和降噪,使得同等条件下的信噪比提升了2.2d B,最后我们用了25km的传感光纤,用三个PZT加载5V,100Hz的正弦波信号模拟入侵信号,分别放置在10km,20km以及尾端25km处,同时检测到了三个点的扰动信号,信噪比分别为:9.2d B,6.8d B,4.0d B。（5）研究了分布式光纤传感在结构健康监测方面的实用性应用,针对高分辨率的结构健康监测,搭建了基于相干光频域反射技术的分布式光纤应变测量系统,本系统分辨率达到1.3mm,能够在1米的传感光纤上得到上百个应变测试点数据。（6）为了验证基于相干光频域反射技术的分布式光纤应变系统对于结构健康监测的优势以及可靠性,我们建立和制作了铝合金悬臂梁以及复合碳纤维材料工件,将传感光纤分别粘贴和嵌入工件当中测试了其加载压力的情况下的应变分布曲线。（7）对相干光时域反射分布式传感系统的应变测量可靠性进行探究,利用有限元分析软件ANSYS建立了工件模型,并仿真不同位置不同载荷条件下应变曲线,测量长度为1m,分辨率达到1.3mm的条件下,仿真结果与测试结果对比,曲线吻合度达到97.4%,最大误差只有4.03个微应变,验证了基于光频域反射分布式光纤应变传感在结构健康监测实用性。（8）分析和总结了对分布式光纤传感系统在远程安防以及结构健康监测方面应用进展和独有的优势,为下一步的多参量测量以及在线监测复合材料固化过程提供提供参考,展望了分布式光纤在远程安防在性能提升、模式识别,以及结构健康监测多参量测量等方面应用的前景。
傅芸[9]（2020）在《光纤分布式应变传感新方法与新技术的研究》文中研究指明随着社会的发展和科技的进步,人类对深海、深地和深空进行探索的需求越来越强烈。为了感知已有技术无法达到的领域,研发具有高稳定性、高信号质量、高灵敏度、组网能力强的传感器成为迫切需求。基于光纤的传感系统,在强电磁辐射、易燃易爆、高温高压、野外无法供电等极端或者恶劣的情况下,具有电类传感系统无可比拟的优势。在各类光纤传感系统中,光纤分布式传感系统,由于具有长距离和大容量等优势,广泛应用于工业监测、能源开发、交通管理等领域。而具有更快响应速度、更高稳定性、更长传感距离和更高灵敏度的光纤分布式应变传感技术的开发,对油气勘探、海底地震监测等领域具有极为深远的影响。现有的光纤分布式应变传感系统还存在诸多不足。针对国家自然科学基金国家重大项目子课题“长距离分布式光纤传感网关键器件与技术研究”中提出的已有光纤分布式应变传感系统无中继传感距离不足的问题,以及单参量光纤分布式传感系统无法同时进行动/静态测量的问题,本论文运用新型光纤分布式放大技术和信号复用技术,设计实现了传感距离超过175 km的布里渊光时域分析仪（BOTDA）和传感距离超过150 km的动静态结合的光纤分布式应变传感系统,在原有系统的基础上取得了较大突破。另外,本论文提出了基于弱掺铒光纤的随机激光混合分布式放大方法,为进一步延长光纤分布式传感系统的无中继距离提供了新的途径。同时,本论文针对国家自然科学基金国家重大科研仪器研制项目“基于新型分布式光纤声波传感器的地震检波仪”提出的现有分布式应变动态解调系统信号质量不高和对侧向应变不敏感的问题开展了探索性研究,分析了相干解调模块强度不平衡造成的信号谐波失真,并提出了实时补偿的方法,另外,提出了基于后向瑞利散射偏振态分布式重构光纤双折射矢量以多点监测侧向应变变化的方法。最后,本论文在国家留学基金委的支持下,根据光纤前向布里渊散射对轴向和侧向应变均敏感的特性,对新型分布式应变传感技术进行了探索。本文的主要工作如下:（1）分析了相干解调模块强度不平衡性对于解调信号的影响并提出了实时补偿的方法。针对基于光相干解调的相位敏感型光时域反射仪（Φ-OTDR）,进行了解调模块强度不平衡对解调信号影响的深入研究,并提出了利用后向瑞利散射信号的统计规律对光相干解调模块的强度不平衡性做出实时无损补偿的方法。（2）提出了运用铒离子和拉曼增益共同对分布式应变传感信号进行分布式放大的方法。提出了利用铒离子与拉曼增益一起为分布式应变传感信号提供综合放大的方法,并优化了系统设计,使得信号功率在掺铒光纤的背景损耗和分布式放大上取得平衡,使得系统增益同时拥有最大值。（3）提出了利用后向瑞利散射光的偏振态分布式重构光纤的偏振传输矩阵的方法,实现外界侧向应变变化的多点监测。并且,提出了利用90°光学混频器同时恢复后向瑞利散射光偏振态和相位,在不改变光相干型Φ-OTDR整体设计的情况下,同时对侧向和轴向应变进行分布式监测的方法。（4）提出利用激发多芯光纤的前向布里渊散射,同时对外界的侧向轴向应变进行分布式传感的方法。利用多芯光纤的内侧/外侧纤芯有效激发前向布里渊散射的基模/高阶模,并运用BOTDA对特定声场模式的截止频率进行分布式标定,可以同时对轴向和侧向应变进行感知。（5）利用三阶光纤随机激光放大实现了超长距离无中继BOTDA。利用三阶和二阶光纤随机激光放大,在系统空间分辨率为8 m的情况下,设计出传感长度突破175 km,应变传感精度为±40.12με,所得的品质因子大于200,000的BOTDA系统。（6）实现了超长距离的动静态结合分布式应变传感器。该系统有机利用了多种复用技术,抑制了子系统之间的相互影响,在静态测量空间分辨率8.2 m,动态测量空间分辨率30 m的情况下,设计出无中继传感距离大于150 km,静态应变的传感精度可达±16.4με的动静态结合的光纤分布式应变传感系统。
杨洋[10]（2020）在《光纤F-P干涉传感器高分辨动态解调技术及应用研究》文中研究指明光纤法布里-珀罗（F-P）传感器凭借其抗电磁干扰、电绝缘、灵敏度高、本质安全、分辨率高等特点,被认为具有广泛的工业应用前景。光纤F-P传感器的高分辨率动态解调技术对存在明显的振动干扰下的结构倾斜监测,航空涡轮发动机、核潜艇发动机以及核反应堆的动态应变监测具有至关重要的作用。本文主要对光纤F-P腔长的高分辨率动态解调技术及其在倾斜和应变动态测量方面的应用进行了深入的研究,对光纤F-P传感器的高速高分辨率稳定的测量工作具有重要意义。本论文的主要工作如下:针对目前光纤F-P腔全相位解调方法容易产生跳模的问题,对基于Buneman频率估计和全相位的F-P腔长解调算法的原理进行了深入的研究,分析了其跳模产生的原因和影响因素,在此基础上,采用干涉信号频谱和相位谱的直接读取法获得干涉条纹周期数和相位,并用干涉光谱初相位的预估计补偿技术,降低了因Buneman频率估计误差以及初相位漂移对跳模的影响,实现了 70 kHz的解调速率和0.027 nm的腔长解调分辨率。针对低光谱分辨率下FBG解调困难的问题,提出了一种基于Buneman频率估计公式的FBG中心波长动态解调方法。该方法在2 kHz的光谱采集速率以及0.156 nm光谱分辨率条件下,获得了 0.048 pm的FBG中心波长解调分辨率。面对振动干扰下倾斜测量困难的问题,设计了一种基于竖直悬臂梁结构的光纤F-P倾斜传感器,采用改进的F-P动态解调算法和高速光谱仪得到实时腔长信号,并从中分离出与倾角有关的直流量,实现在振动环境中的倾斜测量。该传感器在±1.048°的倾角范围实现了 0.01 "的静态倾角分辨率;存在振动情况下仍能得到0.91 "的动态倾角分辨率。为了实现倾斜与振动加速度双参量的同时测量,本文还设计了一种基于单摆结构的光纤F-P振动倾斜双参量传感器,采用轻柔、机械强度高和温度不敏感的碳纤维绳作为摆绳,凭借单摆模态较为单一的振动特性,利用实时解调的绝对腔长信号直流与交流信号的分离以及对振动频响曲线的非线性拟合实现了倾斜角度与振动加速度幅值的同时测量。提出了一种瑞利散射增强本征光纤F-P干涉（REIFPI）用于动态应变测量的方案,REIFPI由飞秒激光脉冲在纤芯上写入的纳米光栅缺陷构成。利用改进的F-P动态解调技术,实现了 800℃高温环境下动态应变检测,且应变测量分辨率达到0.6 με,解决了高温环境中振动测量的难题。
二、光时域反射仪在光纤损耗测试实验中的应用（论文开题报告）
（1）论文研究背景及目的
此处内容要求：
首先简单简介论文所研究问题的基本概念和背景，再而简单明了地指出论文所要研究解决的具体问题，并提出你的论文准备的观点或解决方法。
写法范例：
本文主要提出一款精简64位RISC处理器存储管理单元结构并详细分析其设计过程。在该MMU结构中,TLB采用叁个分离的TLB,TLB采用基于内容查找的相联存储器并行查找,支持粗粒度为64KB和细粒度为4KB两种页面大小,采用多级分层页表结构映射地址空间,并详细论述了四级页表转换过程,TLB结构组织等。该MMU结构将作为该处理器存储系统实现的一个重要组成部分。
（2）本文研究方法
调查法：该方法是有目的、有系统的搜集有关研究对象的具体信息。
观察法：用自己的感官和辅助工具直接观察研究对象从而得到有关信息。
实验法：通过主支变革、控制研究对象来发现与确认事物间的因果关系。
文献研究法：通过调查文献来获得资料，从而全面的、正确的了解掌握研究方法。
实证研究法：依据现有的科学理论和实践的需要提出设计。
定性分析法：对研究对象进行“质”的方面的研究，这个方法需要计算的数据较少。
定量分析法：通过具体的数字，使人们对研究对象的认识进一步精确化。
跨学科研究法：运用多学科的理论、方法和成果从整体上对某一课题进行研究。
功能分析法：这是社会科学用来分析社会现象的一种方法，从某一功能出发研究多个方面的影响。
模拟法：通过创设一个与原型相似的模型来间接研究原型某种特性的一种形容方法。
三、光时域反射仪在光纤损耗测试实验中的应用（论文提纲范文）
（1）基于宽带布尔混沌的光纤故障特性检测（论文提纲范文）
| 摘要 |
| ABSTRACT |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 选题背景与研究意义 |
| 1.2 光纤的发展与特性 |
| 1.2.1 光纤的发展与应用 |
| 1.2.2 光纤特性 |
| 1.2.3 常见的光纤故障 |
| 1.3 现有的光纤故障特性检测方法 |
| 1.3.1 光时域反射技术的原理 |
| 1.3.2 脉冲光时域反射技术 |
| 1.3.3 光子计数光时域反射技术 |
| 1.3.4 伪随机码光时域反射技术 |
| 1.3.5 混沌光时域反射技术 |
| 1.4 本文主要研究内容 |
| 第2章 宽带布尔混沌激光的产生 |
| 2.1 光注入方式产生混沌激光 |
| 2.2 光反馈方式产生混沌激光 |
| 2.3 光电反馈方式产生混沌激光 |
| 2.4 调制方式产生混沌激光 |
| 2.5 本章小结 |
| 第3章 基于宽带布尔混沌信号的光纤故障特性检测的系统设计 |
| 3.1 系统整体方案设计 |
| 3.2 系统中关键模块介绍 |
| 3.2.1 激光器模块 |
| 3.2.2 光电探测器模块 |
| 3.3 宽带布尔混沌电信号的产生 |
| 3.4 直接调制方式产生宽带布尔混沌激光 |
| 3.4.1 直接调制原理 |
| 3.4.2 直接调制的数值模拟及测试分析 |
| 3.5 本章小结 |
| 第4章 光纤故障特性检测及分析 |
| 4.1 实验装置及原理 |
| 4.2 空间分辨率 |
| 4.3 动态范围 |
| 4.4 光纤断点检测及分析 |
| 4.5 本章小结 |
| 第5章 总结与展望 |
| 5.1 总结 |
| 5.2 展望 |
| 参考文献 |
| 攻读学位期间取得的科研成果 |
| 致谢 |
（2）基于受激布里渊散射的分布式光纤传感系统关键技术研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| ABSTRACT |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 引言 |
| 1.2 光纤传感技术 |
| 1.2.1 OTDR技术 |
| 1.2.2 各布里渊分布式光纤传感技术的优缺点 |
| 1.3 Brillouin散射技术分类 |
| 1.3.1 自发布里渊散射(SPBS) |
| 1.3.2 受激布里渊散射(SBS) |
| 1.4 光时域分析的BOTDA国内外发展现状 |
| 1.5 论文的主要内容 |
| 第2章 BOTDA分布式光纤传感系统的理论分析 |
| 2.1 BOTDA传感系统的功率预算 |
| 2.1.1 SBS的阈值 |
| 2.1.2 泵浦脉冲的阈值 |
| 2.1.3 连续探测光的阈值 |
| 2.2 受激布里渊散射频谱的仿真 |
| 2.2.1 三波耦合模型 |
| 2.3 BOTDA传感器的响应 |
| 2.3.1 光纤近端测得的传感器响应 |
| 2.3.2 光纤远端测得的传感器响应 |
| 2.4 布里渊频移误差分析 |
| 2.4.1 信号噪声对布里渊频移误差的影响 |
| 2.4.2 布里渊线宽对频率误差的关系 |
| 2.5 BOTDA系统的设计性能指标 |
| 2.5.1 空间分辨率 |
| 2.5.2 系统信噪比 |
| 2.5.3 测量精度 |
| 2.5.4 动态范围 |
| 2.6 本章小结 |
| 第3章 BOTDA系统方案设计 |
| 3.1 BOTDA系统的基本结构 |
| 3.2 系统关键器件选取 |
| 3.2.1 电光调制器 |
| 3.2.2 频率合成器 |
| 3.2.3 声光调制器 |
| 3.2.4 偏置控制器与偏振控制器 |
| 3.2.5 光电探测器 |
| 3.2.6 光纤放大器 |
| 3.2.7 信号采集系统 |
| 3.3 本章小结 |
| 第4章 BOTDA系统关键技术分析 |
| 4.1 光源信号特性分析 |
| 4.2 微波信号特性分析 |
| 4.2.1 微波信号参数测试实验 |
| 4.3 光脉冲调制子系统实验分析 |
| 4.3.1 高消光比泵浦脉冲调制实验 |
| 4.4 光频率调制子系统实验分析 |
| 4.4.1 探测光相位与偏振态的控制方法 |
| 4.4.2 高抑制比单边带信号调制实验 |
| 4.4.3 光频率调制影响因素分析 |
| 4.5 本章小结 |
| 第5章 BOTDA系统信号分析及数据处理 |
| 5.1 探测光频谱信号分析 |
| 5.2 滤波前的时域信号分析 |
| 5.3 布里渊信号降噪处理 |
| 5.3.1 叠加平均法 |
| 5.4 拟合数据 |
| 5.4.1 布里渊增益谱拟合 |
| 5.4.2 布里渊频移谱拟合 |
| 5.5 BOTDA系统数据处理流程 |
| 5.6 本章小结 |
| 第6章 BOTDA系统的仿真与实验 |
| 6.1 BOTDA实验系统方案 |
| 6.2 BOTDA系统光纤温度/应变仿真 |
| 6.2.1 BFS的温度特性 |
| 6.2.2 BFS的应变特性 |
| 6.3 温度传感实验仿真与设计 |
| 6.4 温度传感定位实验 |
| 6.4.1 BOTDA系统的定位原理 |
| 6.4.2 温度变化区域定位程序设计及仿真 |
| 6.5 本章小结 |
| 第7章 总结与展望 |
| 7.1 论文总结 |
| 7.2 展望 |
| 参考文献 |
| 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 |
| 致谢 |
（3）高性能拉曼分布式光纤传感仪关键技术研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| ABSTRACT |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 研究背景及意义 |
| 1.1.1 拉曼分布式光纤传感技术 |
| 1.1.2 温度解调原理及主要性能指标 |
| 1.2 拉曼分布式光纤传感性能提升研究进展 |
| 1.2.1 测温精度和温度分辨率性能提升研究进展 |
| 1.2.2 空间分辨率性能提升研究进展 |
| 1.2.3 预警响应速度性能提升研究进展 |
| 1.2.4 拉曼分布式光纤传感仪研制进展及现状 |
| 1.2.5 性能提升及应用面临的关键问题 |
| 1.3 本论文主要研究内容 |
| 第二章 基于改进型拉曼传输方程的高测温精度拉曼光纤传感 |
| 2.1 基于光纤拉曼散射温度调控模型的测温精度理论分析 |
| 2.1.1 APD光电响应增益对系统测温精度的影响 |
| 2.1.2 光纤群速度色散对系统测温精度的影响 |
| 2.1.3 光纤突变损耗对系统测温精度的影响 |
| 2.2 多级恒温控制方案与动态增益校准法抑制APD温漂 |
| 2.2.1 多级恒温控制系统结构与实验结果 |
| 2.2.2 动态增益校准方法与实验结果 |
| 2.3 差分温敏补偿法校准光纤温度敏感性 |
| 2.3.1 差分温敏补偿法解调原理 |
| 2.3.2 实验结果与分析 |
| 2.4 联合参考光纤温度的双端环路解调法补偿光纤突变损耗 |
| 2.4.1 实验装置及温度解调原理 |
| 2.4.2 实验结果与分析 |
| 2.5 光纤色散差分补偿法校准拉曼波长差异 |
| 2.5.1 光纤色散差分补偿法原理 |
| 2.5.2 实验结果与分析 |
| 2.6 本章小结 |
| 第三章 基于动态差分衰减识别的高温度分辨率拉曼光纤传感 |
| 3.1 影响系统温度分辨率的理论分析 |
| 3.2 动态差分衰减识别方法原理 |
| 3.2.1 面向DDP解调方案的动态差分衰减识别原理 |
| 3.2.2 面向SDP解调方案的动态差分衰减识别原理 |
| 3.3 实验结果与分析 |
| 3.3.1 DDP解调方案实验结果与分析 |
| 3.3.2 SDP解调方案实验结果与分析 |
| 3.4 大温度测量范围下温度分辨率性能仿真 |
| 3.4.1 DDP解调方案的温度分辨率性能仿真 |
| 3.4.2 SDP解调方案的温度分辨率性能仿真 |
| 3.4.3 温度分辨率性能与光纤衰减特性分析 |
| 3.5 本章小结 |
| 第四章 基于相关函数时域压缩解调的高空间分辨率拉曼光纤传感 |
| 4.1 影响系统空间分辨率的理论分析 |
| 4.1.1 系统空间分辨率限制因素 |
| 4.1.2 激光脉冲传输特性及散射光强叠加特性分析 |
| 4.2 相关函数时域压缩解调原理 |
| 4.2.1 光纤ASE拉曼散射传输温度调控模型建立 |
| 4.2.2 基于时域差分重构的信号解析与重构理论 |
| 4.2.3 探测定位理论 |
| 4.2.4 相关函数时域压缩温度解调理论 |
| 4.3 结果与分析 |
| 4.3.1 定位结果与分析 |
| 4.3.2 温度解调仿真结果与分析 |
| 4.3.3 空间分辨率结果与分析 |
| 4.3.4 温度灵敏度结果与分析 |
| 4.4 本章小结 |
| 第五章 基于拉曼损耗及温度效应的双参量拉曼光纤传感 |
| 5.1 双参量解调原理 |
| 5.1.1 基于拉曼斯托克斯光损耗分析的结构裂隙检测原理 |
| 5.1.2 基于环路拉曼斯托克斯光解调反斯托克斯光技术的温度检测原理 |
| 5.2 双参量系统实验装置 |
| 5.3 实验结果与分析 |
| 5.3.1 分布式温度传感实验结果 |
| 5.3.2 结构裂隙检测实验结果 |
| 5.3.3 分布式温度及结构裂隙协同传感实验结果 |
| 5.4 本章小结 |
| 第六章 基于深度学习的快速响应拉曼光纤传感 |
| 6.1 基于传感光缆热传递函数的温度超前预警技术 |
| 6.1.1 传感光缆温度传递滞后效应 |
| 6.1.2 超前预警模型建立及实验结果分析 |
| 6.2 基于多阶实时移动平均法的数据挖掘和融合预警技术 |
| 6.2.1 技术原理分析 |
| 6.2.2 温度预警实验结果与分析 |
| 6.3 本章小结 |
| 第七章 新型拉曼分布式光纤传感仪研制及工程应用 |
| 7.1 仪器研制与开发 |
| 7.1.1 高精度拉曼分布式光纤传感仪研制 |
| 7.1.2 双参量拉曼分布式光纤检测仪研制 |
| 7.2 LabVIEW联合MATLAB上位机软件系统开发 |
| 7.3 工程应用 |
| 7.3.1 山西省沁水县输气管网泄漏安全监测 |
| 7.3.2 山西省西山煤田采空区自燃安全监测 |
| 7.4 本章小结 |
| 第八章 总结与展望 |
| 8.1 本文工作总结 |
| 8.2 未来工作展望 |
| 参考文献 |
| 图索引 |
| 表索引 |
| 攻读学位期间取得的科研成果 |
| 致谢 |
（4）Φ-OTDR传感技术在铁路安全监测中的应用（论文提纲范文）
| 摘要 |
| ABSTRACT |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 引言 |
| 1.2 分布式光纤传感技术概述 |
| 1.2.1 基于干涉仪结构的分布式光纤传感 |
| 1.2.2 基于背向散射探测的分布式光纤传感 |
| 1.3 Φ-OTDR系统中相位解调技术的国内外研究进展 |
| 1.4 Φ-OTDR系统性能限制与相关研究 |
| 1.4.1 信号衰落问题 |
| 1.4.2 响应带宽 |
| 1.4.3 空间分辨率 |
| 1.5 研究背景与本文主要内容 |
| 第2章 Φ-OTDR的基本工作原理 |
| 2.1 光纤中的瑞利散射原理 |
| 2.2 光纤中的相位调制 |
| 2.3 Φ-OTDR的基本原理 |
| 2.3.1 使用宽谱光源的传统OTDR |
| 2.3.2 使用窄线宽光源的Φ-OTDR |
| 2.3.3 Φ -OTDR的一维脉冲响应模型 |
| 2.4 数字正交解调原理 |
| 2.4.1 本地正余弦信号数字相干 |
| 2.4.2 相位解缠绕 |
| 2.5 Φ-OTDR各性能指标 |
| 第3章 基于离散模型的O-OTDR仿真模拟 |
| 3.1 Φ-OTDR系统的离散化建模 |
| 3.2 基于外差相干检测Φ-OTDR的仿真模拟 |
| 3.2.1 欠采样原理 |
| 3.2.2 外差相干的仿真过程 |
| 3.2.3 移动平均与移动差分算法 |
| 3.3 基于直接探测结构Φ-OTDR的仿真模拟 |
| 3.3.1 时域强度信号重构解调算法 |
| 3.3.2 直接探测Φ-OTDR仿真与解调 |
| 3.4 本章小结 |
| 第4章 Φ-OTDR系统的解调实验 |
| 4.1 基于外差相干检测Φ-OTDR的相位解调实验 |
| 4.1.1 欠采样情况下实验方案与相位解调 |
| 4.1.2 不同外界调制下系统响应 |
| 4.1.3 外界调制电压与响应相位关系测试 |
| 4.2 基于直接探测Φ-OTDR的相位解调实验 |
| 4.2.1 实验方案 |
| 4.2.2 小信号解调畸变现象 |
| 4.3 基于外差相干检测Φ-OTDR的时域强度信号重构解调 |
| 4.4 本章小结 |
| 第5章 列车轨道监测与定位 |
| 5.1 需求背景 |
| 5.2 硬件集成 |
| 5.2.1 窄线宽激光器 |
| 5.2.2 声光调制器 |
| 5.2.3 采集卡 |
| 5.3 系统架构 |
| 5.4 实时监测解调 |
| 5.5 列车信号的定位 |
| 5.6 本章小结 |
| 第6章 总结与展望 |
| 6.1 总结 |
| 6.2 不足与展望 |
| 参考文献 |
| 致谢 |
| 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果 |
（5）基于时频压缩的高性能瑞利散射型光纤分布式传感研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| abstract |
| 缩略词表 |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 研究工作的背景 |
| 1.2 基于瑞利散射的分布式光纤传感研究进展 |
| 1.2.1 基于光时域反射计的分布式光纤传感研究进展 |
| 1.2.2 基于光频域反射计的分布式光纤传感研究进展 |
| 1.3 本论文研究意义与章节安排 |
| 1.3.1 本论文的研究意义 |
| 1.3.2 本论文的章节安排 |
| 第二章 基于瑞利散射的分布式光纤传感基本原理 |
| 2.1 光纤中的瑞利散射 |
| 2.2 光纤背向瑞利散射的统计特性 |
| 2.3 基于瑞利散射的分布式光纤传感系统传感原理 |
| 2.3.1 基于OTDR的分布式传感系统基本原理 |
| 2.3.2 基于OFDR的分布传感系统基本原理 |
| 2.4 基于瑞利散射的光纤分布式传感系统数值模型 |
| 2.4.1 光纤的离散化数值模型 |
| 2.4.2 瑞利散射光场叠加模型 |
| 2.4.3 仿真结果 |
| 2.5 本章小结 |
| 第三章 基于正负频复用的相位敏感型光时域反射计 |
| 3.1 基于幅度预失真的高性能调制信号产生技术 |
| 3.1.1 幅度预失真调制原理 |
| 3.1.2 基于幅度预失真调制的信号测试 |
| 3.2 正负频复用的基础理论及原理性验证 |
| 3.2.1 正负频复用的基础理论 |
| 3.2.2 正负频信号产生的方法及仿真验证 |
| 3.2.3 在Φ-OTDR中使用正负频复用 |
| 3.2.4 原理性验证实验及噪声分析 |
| 3.3 基于正负频复用的长距离Φ-OTDR传感 |
| 3.3.1 正负频复用和频分复用结合 |
| 3.3.2 实验装置及实验结果 |
| 3.4 本章小结 |
| 第四章 基于瑞利散射图样解调的相干光时域反射计 |
| 4.1 瑞利散射图样解调COTDR性能定量分析 |
| 4.1.1 COTDR传感系统最小可测应变定量分析 |
| 4.1.2 测量摆率定量分析 |
| 4.2 基于脉冲压缩的相干光时域反射计 |
| 4.2.1 基于脉冲压缩的相干光时域原理 |
| 4.2.2 脉冲压缩COTDR传感系统实验结果 |
| 4.3 基于子啁啾脉冲提取的相干光时域反射计 |
| 4.3.1 子啁啾提取脉冲算法原理 |
| 4.3.2 定量解调算法的优化 |
| 4.3.3 实验性能分析及讨论 |
| 4.4 本章小结 |
| 第五章 基于瑞利散射图样解调的相干光频域反射计 |
| 5.1 相干探测OTDR传感系统信号时频关系分析 |
| 5.2 光频域反射计系统中瑞利散射图样的获取方法 |
| 5.3 时域子啁啾脉冲提取算法原理 |
| 5.4 动态应变传感实验 |
| 5.4.1 大带宽扫频信号的产生方法 |
| 5.4.2 实验装置及结果 |
| 5.5 准静态应变传感实验 |
| 5.6 本章小结 |
| 第六章 全文总结与展望 |
| 6.1 全文总结 |
| 6.2 后续工作展望 |
| 致谢 |
| 参考文献 |
| 攻读博士学位期间取得的成果 |
（6）基于移频外差的光时域反射技术研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| abstract |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 研究工作的背景与意义 |
| 1.2 光时域反射计(OTDR)的研究历史与发展现状 |
| 1.2.1 相干OTDR |
| 1.2.2 相位敏感OTDR |
| 1.2.3 波长编码OTDR |
| 1.3 论文的主要工作及结构 |
| 第二章 OTDR的基本原理与技术 |
| 2.1 背向传播理论 |
| 2.1.1 瑞利散射 |
| 2.1.2 菲涅尔反射 |
| 2.2 OTDR测量原理 |
| 2.3 OTDR技术指标 |
| 2.3.1 动态范围 |
| 2.3.2 空间分辨率 |
| 2.3.3 OTDR的提升方法 |
| 2.4 本章小结 |
| 第三章 基于移频外差的波长编码OTDR |
| 3.1 引言 |
| 3.2 基于移频外差的波长编码OTDR系统 |
| 3.2.1 方案结构与原理 |
| 3.2.2 声光移频原理 |
| 3.3 数值仿真 |
| 3.4 实验验证 |
| 3.4.1 声光移频范围测试 |
| 3.4.2 FSK射频信号的产生 |
| 3.4.3 实验系统与实验结果 |
| 3.5 本章小结 |
| 第四章 基于移频外差的频率脉冲OTDR |
| 4.1 引言 |
| 4.2 基本原理与仿真验证 |
| 4.3 实验结果及分析处理 |
| 4.3.1 实验结果 |
| 4.3.2 小波去噪 |
| 4.4 本章小结 |
| 第五章 总结与展望 |
| 5.1 全文总结 |
| 5.2 后续工作展望 |
| 致谢 |
| 参考文献 |
| 攻读硕士学位期间取得的成果 |
（7）基于相位漂移补偿的Φ-OTDR系统事件快速定位方法（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 1 绪论 |
| 1.1 光纤传感技术概述 |
| 1.2 光纤中的散射在光时域反射技术中的应用 |
| 1.2.1 光时域反射技术中的拉曼散射 |
| 1.2.2 光时域反射技术中的布里渊散射 |
| 1.2.3 光时域反射技术中的瑞利散射 |
| 1.3 相位敏感光时域反射技术的研究现状 |
| 1.4 本课题的研究意义和主要研究内容 |
| 1.4.1 本课题的研究意义 |
| 1.4.2 本课题的主要研究内容 |
| 2 长距离Φ-OTDR分布式光纤传感系统 |
| 2.1 光纤中的瑞利散射 |
| 2.2 Φ-OTDR系统传感原理 |
| 2.3 主要性能参数 |
| 2.3.1 空间分辨率 |
| 2.3.2 传感距离 |
| 2.3.3 灵敏度 |
| 2.3.4 信噪比 |
| 2.4 本章小结 |
| 3 Φ-OTDR系统的相位解调方法 |
| 3.1 信号处理方法 |
| 3.1.1 希尔伯特变换 |
| 3.1.2 数字相干IQ解调算法 |
| 3.1.3 基于3*3耦合器解调相位 |
| 3.2 激光器稳频技术 |
| 3.2.1 激光器稳频技术原理 |
| 3.2.2 影响激光器频率稳定的因素 |
| 3.2.3 激光器稳频方法 |
| 3.3 频漂补偿算法 |
| 3.3.1 解缠绕算法 |
| 3.3.2 激光器频漂补偿算法 |
| 3.4 本章小结 |
| 4 长距离Φ-OTDR系统事件快速定位方法 |
| 4.1 解调技术的研究 |
| 4.2 快速定位算法设计 |
| 4.3 实验结果分析 |
| 4.4 本章小结 |
| 5 总结与展望 |
| 5.1 主要研究成果及创新点 |
| 5.2 展望 |
| 参考文献 |
| 致谢 |
| 附录1 攻读硕士学位期间参与的项目和发表的论文 |
| 附录2 主要英文缩写语对照表 |
（8）分布式光纤传感用于远程安防及结构监测若干实用化技术研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 引言 |
| 1.2 光纤传感介绍 |
| 1.3 分布式光纤传感技术研究现状 |
| 1.4 分布式光纤传感技术 |
| 1.5 基于干涉仪原理的分布式光纤传感技术 |
| 1.6 Φ-OTDR和OFDR分布式传感技术及其研究现状 |
| 1.7 论文主要内容 |
| 第二章 分布式光纤传感系统原理 |
| 2.1 分布式光纤传感技术概述 |
| 2.2 散射型光纤传感技术 |
| 2.3 基于相位敏感光时域反射技术(Φ-OTDR)的分布式光纤传感系统原理 |
| 2.4 基于光频域反射技术(OFDR)的分布式光纤传感系统原理 |
| 2.5 分布式光纤传感系统的主要性能指标 |
| 2.6 本章小结 |
| 第三章 光电探测器和泵浦放大系统研究 |
| 3.1 光电探测器介绍 |
| 3.2 光电探测器的噪声分析 |
| 3.3 传统APD放大器和PIN加放大电路探测器性能测试 |
| 3.4 无中继放大遥泵系统 |
| 3.5 本章小结 |
| 第四章 分布式光纤传感用于远程扰动监测 |
| 4.1 系统采集卡适配优化 |
| 4.2 Matlab软件信号处理 |
| 4.3 优化系统后扰动探测结果 |
| 4.4 本章小结 |
| 第五章 分布式光纤传感系统用于结构健康监测研究 |
| 5.1 OFDR光纤传感系统原理 |
| 5.2 光纤应变力学原理 |
| 5.3 搭建OFDR分布式光纤传感光纤系统 |
| 5.4 验证系统实验方案 |
| 5.5 铝合金悬臂梁工件测试与仿真结果 |
| 5.6 复合材料板的应变仿真 |
| 5.7 复合碳纤维材料工件测试与仿真结果 |
| 5.8 本章小结 |
| 第六章 总结与展望 |
| 6.1 总结 |
| 6.2 展望 |
| 参考文献 |
| 攻读硕士学位期间的学术成果 |
| 致谢 |
（9）光纤分布式应变传感新方法与新技术的研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| abstract |
| 缩略词表 |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 分布式光纤传感概述 |
| 1.2 分布式光纤应变传感器概述 |
| 1.3 分布式光纤应变传感器研究进展 |
| 1.3.1 长距离BOTDA研究进展 |
| 1.3.2 Φ-OTDR研究进展 |
| 1.3.3 动静态结合的光纤分布式应变传感系统研究进展 |
| 1.4 本论文的工作 |
| 1.4.1 本论文的选题意义 |
| 1.4.2 本论文章节安排 |
| 第二章 理论基础 |
| 2.1 光纤中的散射 |
| 2.1.1 光纤中的瑞利散射 |
| 2.1.2 光纤中的布里渊散射 |
| 2.1.3 光纤中的拉曼散射 |
| 2.2 光纤分布式应变传感系统原理 |
| 2.2.1 Φ-OTDR系统原理 |
| 2.2.2 POTDR系统原理 |
| 2.2.3 BOTDA系统原理 |
| 2.3 适用于光纤分布式应变系统的信号增强技术 |
| 2.3.1 脉冲编码技术 |
| 2.3.2 掺铒光纤放大技术 |
| 2.3.3 基于拉曼散射的光纤分布式放大技术 |
| 2.4 本章小结 |
| 第三章 光纤分布式动态应变传感系统信号质量提升的方法 |
| 3.1 相干型Φ-OTDR中解调系统的优化方法 |
| 3.1.1 光相干接收机强度不平衡所带来的影响 |
| 3.1.2 相干接收机强度不平衡性的补偿方法 |
| 3.2 基于弱掺铒光纤的混合分布式放大方法 |
| 3.2.1 基于WEDF的分布式放大基本结构 |
| 3.2.2 基于WEDF的分布式放大的仿真模型 |
| 3.2.3 基于WEDF与 RFL的综合放大方法 |
| 3.3 本章小结 |
| 第四章 侧向轴向应变同时敏感的光纤分布式传感方法 |
| 4.1 利用光相干型Φ-OTDR同时感知轴向侧向应变的方法 |
| 4.1.1 分布式重构光纤偏振传输矩阵的方法 |
| 4.1.2 适用条件 |
| 4.1.3 仿真结果 |
| 4.2 利用前向布里渊散射同时传感轴向侧向应变的方法 |
| 4.2.1 外界应变对于FSBS频率的影响 |
| 4.2.2 FSBS不同模式的激发效率 |
| 4.2.3 初步实验结果 |
| 4.3 本章小结 |
| 第五章 超长距离无中继分布式光纤应变传感技术 |
| 5.1 超长距离的分布式静态应变传感技术 |
| 5.1.1 分布式放大方案 |
| 5.1.2 放大泵浦功率的优化 |
| 5.1.3 实验结构 |
| 5.1.4 实验结果 |
| 5.2 动静态结合的超长距离分布式光纤应变传感技术 |
| 5.2.1 设计原理 |
| 5.2.2 系统结构 |
| 5.2.3 实验结果与讨论 |
| 5.3 本章小结 |
| 第六章 全文总结与展望 |
| 6.1 本文的研究内容及主要贡献 |
| 6.2 后续工作的展望 |
| 致谢 |
| 参考文献 |
| 攻读博士学位期间取得的成果 |
（10）光纤F-P干涉传感器高分辨动态解调技术及应用研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| abstract |
| 主要符号表 |
| 1 绪论 |
| 1.1 研究背景与意义 |
| 1.2 光纤F-P传感器解调算法国内外研究现状 |
| 1.2.1 强度解调 |
| 1.2.2 相位解调 |
| 1.3 光纤倾斜传感器的国内外研究现状 |
| 1.3.1 光纤FBG倾斜传感器 |
| 1.3.2 干涉型光纤倾斜传感器 |
| 1.3.3 多参量光纤倾斜传感器 |
| 1.4 光纤振动传感器的国内外研究现状 |
| 1.4.1 强度检测型光纤振动传感器 |
| 1.4.2 干涉型光纤振动传感器 |
| 1.4.3 光纤FBG振动传感器 |
| 1.4.4 应对高温环境的光纤振动传感器 |
| 1.5 本文主要研究思路 |
| 2 光纤法布里-珀罗干涉传感原理 |
| 2.1 光学法布里-珀罗干涉仪原理 |
| 2.2 非本征光纤法布里-珀罗干涉(EFPI)原理与干涉对比度 |
| 2.2.1 空气介质EFPI干涉腔中基模光场模场半径与传播距离的关系 |
| 2.2.2 光纤EFPI双光束干涉原理 |
| 2.3 本章小结 |
| 3 高分辨率高速动态测量绝对腔长解调算法 |
| 3.1 解调算法原理 |
| 3.1.1 基于光谱解析信号的离散傅里叶变换腔长解调 |
| 3.1.2 Buneman频率估计 |
| 3.1.3 改进的Buneman频率估计与全相位结合解调方法 |
| 3.2 解调方法性能分析 |
| 3.2.1 光程差解调动态范围 |
| 3.2.2 光程差解调分辨率 |
| 3.2.3 跳模的抑制 |
| 3.2.4 解调速率 |
| 3.3 实验装置 |
| 3.3.1 传感器解调系统构成 |
| 3.3.2 解调算法性能验证的实验装置 |
| 3.4 解调算法性能评估 |
| 3.4.1 腔长解调动态范围测量 |
| 3.4.2 腔长解调分辨率测量 |
| 3.4.3 解调结果跳变的抑制的测试 |
| 3.4.4 解调速率测试 |
| 3.5 本章小结 |
| 4 基于改进的Buneman频率估计公式的FBG快速解调算法 |
| 4.1 FBG解调算法概述 |
| 4.2 基于Buneman频率估计公式的FBG动态解调算法原理 |
| 4.3 BBWE-FBG解调方法的实验验证 |
| 4.3.1 FBG样品的制备 |
| 4.3.2 验证BBWE-FBG解调方法的实验装置 |
| 4.4 BBWE-FBG解调方法的改进与实验验证 |
| 4.4.1 BBWE-FBG解调方法的改进 |
| 4.4.2 改进的BBWE-FBG解调方法的FBG静态应变测量实验 |
| 4.4.3 改进的BBWE-FBG解调方法的解调分辨率 |
| 4.4.4 改进的BBWE-FBG解调方法的动态测量性能 |
| 4.5 本章小结 |
| 5 光纤F-P倾斜传感器动态测量研究 |
| 5.1 光纤F-P倾斜传感器动态测量概述 |
| 5.2 基于竖直悬臂梁的动态测量光纤F-P倾斜传感器 |
| 5.2.1 基于竖直悬臂梁的动态测量光纤F-P倾斜传感器设计 |
| 5.2.2 基于竖直悬臂梁的动态光纤F-P倾斜传感器实验装置 |
| 5.2.3 基于竖直悬臂梁的动态光纤F-P倾斜传感器动态测量性能测试 |
| 5.3 基于单摆结构的光纤F-P倾斜振动双参量传感器的研究 |
| 5.3.1 基于单摆结构的光纤F-P倾斜振动双参量传感器设计 |
| 5.3.2 基于单摆结构的光纤倾斜振动双参量传感器实验装置 |
| 5.3.3 基于碳纤维绳的光纤倾斜振动双参量传感器性能指标测试 |
| 5.4 本章小结 |
| 6 基于飞秒激光直写技术的光纤IFPI在动态应变测量的研究 |
| 6.1 基于飞秒激光直写技术的光纤IFPI概述 |
| 6.2 基于飞秒激光直写技术光纤REIFPI原理 |
| 6.2.1 飞秒激光材料改性与纳米光栅缺陷形成的机理 |
| 6.2.2 基于飞秒激光直写技术的REIFPI干涉原理 |
| 6.3 基于飞秒激光直写技术的光纤REIFPI制作 |
| 6.4 基于飞秒激光直写技术的光纤REIFPI动态应变测量实验装置 |
| 6.5 基于飞秒激光直写技术的光纤REIFPI动态应变测量实验测试 |
| 6.5.1 动态应变测量分辨率 |
| 6.5.2 频率响应 |
| 6.5.3 动态测量性能 |
| 6.5.4 高温环境下的动态应变测量 |
| 6.6 本章小结 |
| 7 结论与展望 |
| 7.1 结论 |
| 7.2 创新点 |
| 7.3 展望 |
| 参考文献 |
| 攻读博士学位期间科研项目及科研成果 |
| 致谢 |
| 作者简介 |
四、光时域反射仪在光纤损耗测试实验中的应用（论文参考文献）
- [1]基于宽带布尔混沌的光纤故障特性检测[D]. 王洋. 太原理工大学, 2021(01)
- [2]基于受激布里渊散射的分布式光纤传感系统关键技术研究[D]. 张怡松. 华北电力大学(北京), 2021(01)
- [3]高性能拉曼分布式光纤传感仪关键技术研究[D]. 李健. 太原理工大学, 2021
- [4]Φ-OTDR传感技术在铁路安全监测中的应用[D]. 胡洲畅. 中国科学技术大学, 2021(08)
- [5]基于时频压缩的高性能瑞利散射型光纤分布式传感研究[D]. 熊吉. 电子科技大学, 2021
- [6]基于移频外差的光时域反射技术研究[D]. 邢贯苏. 电子科技大学, 2021(01)
- [7]基于相位漂移补偿的Φ-OTDR系统事件快速定位方法[D]. 孟金昌. 武汉邮电科学研究院, 2021(01)
- [8]分布式光纤传感用于远程安防及结构监测若干实用化技术研究[D]. 宋忠康. 东华大学, 2021(09)
- [9]光纤分布式应变传感新方法与新技术的研究[D]. 傅芸. 电子科技大学, 2020
- [10]光纤F-P干涉传感器高分辨动态解调技术及应用研究[D]. 杨洋. 大连理工大学, 2020(01)