稳定的长距离光纤分布式干涉测量技术研究

【摘要】光纤分布式振动测试仪以振动这一普遍存在的物理现象为检测对象,在关系国计民生的多个重要领域有着广泛的应用,本文以响应快,灵敏度高的干涉型长距离分布式光纤振动测试技术为研究对象,针对该技术常见的干涉稳定性及定位距离等问题,提出具有可靠偏振稳定性的保偏光路方案,并提出提高定位监测距离的特性相位生成载波调制解调技术。本文以理论分析、推导为基础,通过实验测试工作,验证所提出方案的可行性。完成的主要工作如下：1、提出了一种由保偏光纤构成的偏振稳定的新型干涉光路。本干涉光路的特点是在感应光纤仍为单模光纤的条件下,利用法拉第旋转镜消除这部分光纤偏振变化的影响；在构成干涉光路其他部分,采用保偏光纤及其器件构成保偏结构,并通过关键器件——法拉第旋转器的使用,实现传输路径的光的干涉。由于仍采用单模光纤来进行传感,因而该技术具有很强的实用性。2、对扰动信号与干涉相位差的关系进行了分析、推导,进而对相位差解算涉及的关键器件——3×3耦合器的作用机理进行理论推导,并对其中的相位还原算法及定位方法进行了讨论与分析。3、在对干涉光路中的散射研究方面：(1)指出了光纤中的散射光生成的寄生干涉是影响光纤长距离探测的重要因素,并给出了散射光寄生干涉的理论公式。(2)通过对传统相位生成载波技术的信号调制特性分析,提出了在传感光纤末端加载调制信号,利用相位生成载波技术消减散射光寄生干涉的方法。(3)结合干涉结构利用3×3耦合器相位特性,进行干涉相位差解算的特点,提出了不同于传统调制解调方式,消减散射光寄生干涉的特性相位生成载波调制与解调方法。该方法是一种异地解调方式,无需获取与调制信号同源的参考信号,不受感应光纤(缆)延伸方式的限制,光纤尾端不用环回；它充分发挥了系统利用3×3耦合器相位特性实现相位差解算的优势；载波加载的位置决定了载波幅度固定,不会受感应光纤(缆)长度变化的影响；同时,由于载波的调制,干涉信号处于满幅状态,可以直接从信号获取相位还原所需的幅度参数,简化了解算过程。以上的特点和优点为该技术的实用性提供了可靠保障。4、通过实验测试表明,这种基于单模感应光纤的保偏干涉光路具有可靠的稳定性,定位距离可达80km,若再采用本论文所提出的特性相位生成载波调制解调技术,定位距离可达100km。实验结果表明,这两项技术的结合具有较高的实用价值,值得继续深入研究及应用推广。论文主要的成果与创新性如下：(1)提出了基于单模传感光纤的保偏干涉结构,这是一项兼顾系统稳定性及实用性的技术。(2)指出散射光引起的寄生干涉是限制单芯传感技术定位测量距离的重要因素,并给出了散射光寄生干涉的理论公式。(3)提出了在感应光纤尾端加调制,利用相位生成载波技术消减散射光寄生干涉影响的方法。(4)根据光路结构特点,提出了一种区别于传统相位生成载波调制解调技术的特性调制解调方法,通过载波特殊工作幅度的设置,采用特定的方法实现远离信号加载端的异端解调,突破了相位生成载波同端解调的限制,可方便用于长距离无环回布设的光缆。这种技术与干涉结构中使用3×3耦合器实现是密不可分的,它充分发挥了系统使用3×3的优势。技术(1)和(4)的结合将为光纤长距离分布式定位测量提供一种新型的高稳定测试手段。另外,通过论文的分析,提出了,包括反常规地使用铌酸锂调制器,利用3×3耦合器构成干涉结构的干涉信号初始相位的简便分析方法,Sagnac环与单芯定位技术陷波点来源的本质不同,利用庞加球直观揭示法拉第旋转镜对单模光纤偏振影响的抑制作用等在内的一些新的结论、方法。
【作者】肖倩；
【导师】贾波；
【作者基本信息】复旦大学，物理电子学，2013，博士
【关键词】光纤；分布式；传感器；相位生成载波；定位；干涉；瑞利散射；

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