【摘 要】
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大型基础设施（如桥梁、交通轨道、地下传输管道等）的正常运作是我国经济发展的重要保障,所以针对上述基础设施结构的健康监测至关重要。光纤传感器本身具有天然的成本低、灵敏度高,可在复杂环境下进行测量等优点,已被广泛应用于航空航天、重大工程设施、灾害监测等领域。然而在重大灾害和大型基础设施监测预警领域,需要对多位置、多参数实时测量和准确分析,单个的点式传感单元难以满足大范围多点检测的实际应用需求。分布式光
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大型基础设施（如桥梁、交通轨道、地下传输管道等）的正常运作是我国经济发展的重要保障,所以针对上述基础设施结构的健康监测至关重要。光纤传感器本身具有天然的成本低、灵敏度高,可在复杂环境下进行测量等优点,已被广泛应用于航空航天、重大工程设施、灾害监测等领域。然而在重大灾害和大型基础设施监测预警领域,需要对多位置、多参数实时测量和准确分析,单个的点式传感单元难以满足大范围多点检测的实际应用需求。分布式光纤传感技术由于其稳定性好、覆盖范围大、环境适应强等独特优势,在大空间范围监测预警领域展现出广泛的应用前景和较高的开发价值,得到了越来越多研究者的垂青。发展高灵敏度及多信息复用检测的分布式光纤传感技术已成为国际高科技竞争的焦点和制高点,代表了未来传感的发展方向。本论文根据光纤传感的技术特点,针对光纤准分布式传感技术的应用需求,首先介绍了一种基于强度调制的锥形光纤曲率传感单元,并通过实验研究了该传感单元的曲率和温度特性。其次搭建了利用光时域反射仪（OTDR）的准分布式光纤衰荡腔传感系统,通过串联多个衰荡腔,并在腔内引入传感单元,实现了多点、多物理参量的测量。本论文的创新性在于利用DCF的双包层结构及拉锥技术设计制作一个结构紧凑,灵敏度高的马赫-曾德尔干涉仪（MZI）,并在单个传感单元的基础上,结合衰荡系统的检测高灵敏性以及OTDR的实时性和方便解调优势,搭建利用OTDR的多衰荡腔传感结构,实现准分布式测量。主要工作如下:（1）设计了一种基于强度调制的锥形光纤曲率传感单元。该传感器由单模光纤与色散补偿光纤熔接而成,并在第一个熔接点处拉锥形成马赫-曾德尔干涉仪。通过实验,分析了传感器透射光谱的特性,研究了其对曲率和温度的响应特性。通过检测两个独立的参数（即温度变化时干涉倾角的波长偏移和曲率变化时干涉倾角的强度变化）测量曲率和温度,得到曲率和温度最大灵敏度分别为15.19 d B/m-1、79.8 pm/℃,为后续的准分布式光纤衰荡腔传感技术提供重要依据。（2）搭建了利用OTDR的准分布式光纤衰荡腔传感系统,将传统的光纤衰荡腔系统与OTDR相结合,采用OTDR同时作为脉冲光源和探测器,简化传统衰荡系统光源调制部分的复杂性。通过串联多个衰荡腔结构,调节各衰荡腔内光纤长度实现各单元环腔被测物理量的有效区分,在各衰荡腔间的加入延时光纤实现多点的分布式测量。在实验过程中首先搭建了串联两个衰荡腔结构的双参量传感系统,腔内分别采用锥形光纤和光纤对准器作为传感单元,同时对结构曲率和烟雾浓度的进行测量,通过对峰值变化拟合,最终得到曲率和烟雾灵敏度分别为-3.611×10-3 d B,-10.3 d B·km-1。其次又搭建三个衰荡腔的三参量光纤传感系统进行实验测试,为推广至更多参量的准分布式光纤衰荡腔传感系统提供了理论依据和技术支撑。
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