全光纖振動(dòng)傳感機(jī)理及高性能工程系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、近年來(lái)全光纖振動(dòng)傳感技術(shù)及其工程應(yīng)用系統(tǒng)研究得到極大的重視，各類大科學(xué)工程系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。隨著工程應(yīng)用的深入，現(xiàn)場(chǎng)反饋出一系列難以解決的科學(xué)問(wèn)題。本文以全光纖振動(dòng)傳感機(jī)理及高性能關(guān)鍵技術(shù)為研究對(duì)象，在課題組前期研究工作基礎(chǔ)上，對(duì)工程系統(tǒng)涉及到的外界物理量、光纖材料、載波相位之間的互作用機(jī)理、信號(hào)處理等問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。
　　首先，建立了全光纖外力感知張量模型，求解出軸向外力、均勻徑向輻射力及徑向點(diǎn)力在光纖內(nèi)部各點(diǎn)產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)

2、及它們引起的光纖形變。推導(dǎo)得出外力引起的光纖內(nèi)部各點(diǎn)相對(duì)介電常數(shù)張量的變化?；谒⒌膹埩磕Ｐ?，分析了外界振動(dòng)對(duì)光纖纖芯、包層材料特性的影響，發(fā)現(xiàn)光纖纖芯、包層材料轉(zhuǎn)變?yōu)楦飨虍愋裕湎鄬?duì)介電常數(shù)張量發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。
　　接著，基于全矢量磁場(chǎng)方程，建立了各向異性光波導(dǎo)模式有限元求解模型(AOWG-FEM)，編寫了AOWG-FEM程序。該程序計(jì)算精度高，適用于求解各種各向異性光波導(dǎo)模式問(wèn)題。仿真和分析了外力、外界振動(dòng)對(duì)光纖中導(dǎo)波模傳輸

3、特性的影響。發(fā)現(xiàn)在外力及外界振動(dòng)作用下，單模光纖的基模仍然是HE11模，但其有效折射率隨外力、外界振動(dòng)幅度線性變化或產(chǎn)生偏振效應(yīng)。分別分析了在軸向外力、均勻徑向輻射力、徑向點(diǎn)力及外界振動(dòng)作用下HE11模傳播常數(shù)及相位感知靈敏度。提出了基于硅光子集成的片上光傳感信號(hào)處理模塊的構(gòu)想，提出并優(yōu)化設(shè)計(jì)了ADC模式復(fù)用/解復(fù)用、表面金屬涂覆SOI非偏振敏感1×2 MMI功分器、基于十字交叉SOI槽波導(dǎo)生物化學(xué)傳感芯片等無(wú)源單元。
　　然后，

4、提出了基于全光纖Sagnac干涉儀、光時(shí)分復(fù)用及脈沖幅值提取式解調(diào)解復(fù)用技術(shù)的準(zhǔn)分布式振動(dòng)傳感系統(tǒng)。深入研究了該傳感器系統(tǒng)性能，發(fā)現(xiàn)偏振態(tài)隨機(jī)變化是影響系統(tǒng)性能的主要因素。提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了增敏光纖感知靈敏度提升法、寬帶光源偏振補(bǔ)償法、PI控制的多通道增益均衡及穩(wěn)定算法等。接著，深入研究了基于Sagnac-OTDR的分布式振動(dòng)傳感與定位技術(shù)?；赟agnac干涉理論和OTDR機(jī)理，建立了傳感光纖沿線單點(diǎn)、兩點(diǎn)和N點(diǎn)分布式全光纖振動(dòng)傳感與定

5、位理論模型，完整分析了分布式全光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)性能，包括感知靈敏度、定位精度、空間動(dòng)態(tài)范圍、振動(dòng)頻率響應(yīng)特性及偏振特性等。提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了同步矩形相位調(diào)制感知靈敏度提升法、基于平均算法的定位精度提升法、平衡探測(cè)/參考跡線相消/周期時(shí)延相消盲區(qū)消除法、系統(tǒng)空間動(dòng)態(tài)范圍增益均衡拓展法等，保證了傳感系統(tǒng)高性能。
　　最后，研制了準(zhǔn)分布式和分布式全光纖振動(dòng)傳感工程應(yīng)用系統(tǒng)。研制了準(zhǔn)分布式全光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)終端設(shè)備，包括內(nèi)部光信號(hào)接收與處理

6、模塊、數(shù)據(jù)采集與處理&參數(shù)控制模塊及主控單元。按照用戶需求，設(shè)計(jì)和實(shí)施了基于準(zhǔn)分布式全光纖振動(dòng)傳感技術(shù)的周界安防工程示范系統(tǒng)。系統(tǒng)可支持的傳感單元最長(zhǎng)為19km，傳感單元的最大復(fù)用數(shù)為32，傳感通道之間的光傳輸路徑長(zhǎng)度差的最小值為400m，可實(shí)時(shí)檢測(cè)出振動(dòng)事件并確定其所發(fā)生的區(qū)域，響應(yīng)時(shí)間＜1s，具有光纖鏈路檢測(cè)功能，實(shí)時(shí)反饋各傳感單元鏈路的通斷狀態(tài)。研制了分布式全光纖振動(dòng)傳感與定位工程應(yīng)用系統(tǒng)終端設(shè)備，包括光源驅(qū)動(dòng)模塊、干涉光路模塊、