【摘 要】
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在包括强度、波长、频率、偏振态等多种光纤传感调制形式当中,基于光学干涉的相位调制型光纤分布式声学传感（Distributed Acoustic Sensing,DAS）技术具有极高的灵敏度和广阔的应用前景。然而,在现有的光纤DAS系统中,普遍采用单波长或者合成波长进行光干涉测量和相位解调,其局限性在于相邻采样点之间的相位变化不能超π,否则必须提升解调系统采样率,这会极大地加重大容量长距离DAS阵列
【基金项目】
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国家自然科学基金重点项目（No.61735013）:智能轨道交通安全监测光纤传感基础研究；
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在包括强度、波长、频率、偏振态等多种光纤传感调制形式当中,基于光学干涉的相位调制型光纤分布式声学传感（Distributed Acoustic Sensing,DAS）技术具有极高的灵敏度和广阔的应用前景。然而,在现有的光纤DAS系统中,普遍采用单波长或者合成波长进行光干涉测量和相位解调,其局限性在于相邻采样点之间的相位变化不能超π,否则必须提升解调系统采样率,这会极大地加重大容量长距离DAS阵列系统的数据处理负荷。目前国内外针对这种光纤DAS系统的高动态范围前沿研究较少,DAS技术在轨道交通、周界安防、水声探测等存在大幅度声波信号领域中的落地应用仍面临着许多困难和挑战。针对当前光纤DAS系统动态范围不足、应用领域窄等问题,本文对光纤DAS系统的动态范围进行深入研究,提出一种高动态范围的双波长相位解缠算法,设计和构建一套双波长DAS解调系统,以进一步拓展光纤DAS系统的动态范围,加速其更广泛的落地应用。主要研究内容如下:（1）高动态范围相位解调算法研究。对比总结各类光纤DAS系统,并推导干涉型DAS系统的应变传感数学模型;研究光纤中的相位调制解调方案,提出更高精度的3×3耦合器相位预解调实时修正算法,并进行实验验证;分析相位解调中的相位解缠原理,提出更高动态范围的双波长线性回归相位解缠算法,结合理论分析对比本文提出解缠算法和传统解缠算法的各项性能。（2）双波长DAS解调系统设计。设计与制备双波长弱光纤光栅对阵列基元,组成双波长DAS传感器阵列;构建双波长DAS光路系统,总结传感系统数据处理基本流程;对双波长DAS解调系统关键器件和核心参数进行评估选型:通过激光器线宽测量对激光器进行评估与选型;理论仿真分析确定双波长波长匹配方案;对比分析各类声源,确定双波长DAS解调系统验证的标准声源。（3）双波长DAS解调系统实验测试与验证。设计基于双波长弱光纤光栅对的4基元时分复用双波长DAS传感器阵列,搭建双波长DAS解调系统实验平台,对双波长DAS解调系统的串扰水平、系统噪声和动态范围等重要性能指标进行系统测试与性能分析。
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