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分布式光纤传感是伴随着社会的需求而逐渐发展壮大的一种新型实时在线监测技术,基本原理是利用同一根光纤同时传输和感知信号,结合先进的信号处理技术,可以探测长达几十公里光纤不同位置的温度和应变等物理量,实现真正的分布式测量。光纤所特有的质轻、抗电磁干扰、抗腐蚀等优点,也使分布式光纤传感器得到了众多研究人员和应用单位的青睐,近几十年来取得了巨大的进步。尤其是在安防监控领域,分布式光纤传感器相对传统的传感监测系统拥有诸多优势,正发挥着不可替代的作用。目前,安防领域的分布式光纤传感器的研究主要集中在基于光纤中各种光散射原理,主要包括后向相干瑞利散射、拉曼散射与布里渊散射三种分布式光纤传感技术。
本文主要从事基于相干瑞利散射分布式光纤传感技术的研究。首先介绍了光纤的导光原理与光纤中存在的各种散射光,说明了光纤传感技术的基本原理;然后通过介绍各种分布光纤传感技术的原理与研究现状,说明了基于相干瑞利散射传感技术的优势与发展前景,并介绍了本文的主要研究工作;接着从瑞利散射产生的机理出发,介绍了光纤中瑞利散射产生的原因,并分析了光时域反射计的原理,通过对比介绍了相干瑞利散射分布式光纤传感技术的原理,建立了相干瑞利散射的模型;随后进行了实验室系统的搭建,并具体的介绍了系统中几个关键性器件及对相干瑞利散射波形的影响,并提出基于硬件和软件两个方面的系统优化方法。通过搭建EDFA、消除传感光纤前后端菲涅耳反射、提高探测光脉冲消光比等方法获得了稳定的相干瑞利散射信号,并提出了有效的信号消噪方法。随后进行了振动信号的检测,通过分析散射信号在时域上的变化,提出了分组相减的信号解调方法,最终获得了有效的振动信号定位。最后使用Matlab仿真了入侵振动信号,并用希尔伯特-黄变换与小波变换对仿真的振动信号进行了解调研究。
本文的研究工作表明,基于相干瑞利散射的分布式光纤传感技术在振动检测领域具有广阔的应用前景,但也面临着一定的困难,还有诸多问题需要不断的研究与解决。