多功能分布式光纤传感技术研究

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1、分类号学校代码10255UDC学号2131412东华大学硕士学位论文多功能分布式光纤传感技术研究RESEARCHONTHETECHNOLOGYOFMULTI-FUNCTIONALDISTRIBUTEDOPTICALFIBERSENSINGSYSTEM姓名余桥指导老师詹亚歌申请学位级别硕士学科专业名称光学工程论文提交日期2015年12月论文答辩日期2016年1月培养单位东华大学理学院学位授予单位东华大学东华大学学位论文原创性声明本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行

2、研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日东华大学学位论文版权使用授权书学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文

3、。保密□，在年解密后适用本版权书。本学位论文属于不保密□。学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日摘要多功能分布式光纤传感技术研究摘要分布式光纤传感技术是一种以光纤作为传输介质和传感元件的新型传感技术，能对被测参量进行分布式监测，具有传统机电传感器无法比拟的优势，例如体积小，重量轻，抗电磁干扰能力强，灵敏度高等。基于相位敏感光时域反射的分布式传感技术能对扰动信号进行监测，基于布里渊散射的分布式光纤传感技术能对表征结构健康状态的温度和应变进行监测。但目前分布式光纤传感领域均以单一系统实现上述参量的单一监

4、测，要实现多参量的监测需要多个系统，成本很高，因此需要研究多功能/多参量传感技术。基于自发布里渊散射的分布式传感系统中普通单模光纤的受激阈值较低，容易产生受激现象；另外对于常规的温度和应变双参量同时监测系统中光功率对温度、应变不够敏感，因此测量精度低。本文针对分布式光纤传感技术存在的上述缺陷进行了相关研究，并找到相应解决办法，为分布式光纤传感技术的工程化应用解决了部分难题。本文的主要研究内容有：(1)介绍了光纤中的三种后向散射光，在此基础上介绍了基于相位敏感光时域反射的分布式光纤传感原理和基于布里渊散射的分布I摘要式

5、光纤传感原理，从原理和结构图上说明了用单个系统实现多功能多参量监测的可行性。(2)介绍了分布式光纤传感技术的分类，重点介绍了基于相位敏感光时域反射计的分布式传感技术和基于受激布里渊散射的分布式传感技术，并分析了将两种技术结合在一起实现多功能多参量传感的优点和广阔应用前景。(3)通过综合分析提出了基于相位敏感光时域反射计（Φ-OTDR）和基于受激布里渊散射时域分析仪（BOTDA）的多功能多参量传感方案，根据方案特点给出了各器件的选型和参数的设计；分析了多功能传感方案实现入侵监测时的相邻入侵信号临界分辨问题，通过玻尔兹曼

6、拟合方法在2m空间分辨率下实现了1.23m的双峰分辨精度，同时获得了脉冲宽度与系统能识别的相邻入侵信号最小间距的关系。另一方面分析了多功能传感方案实现应变测量时的应变频移系数，通过洛伦兹拟合得到的应变频移系数与理论值在误差范围内一致，并由此获得该系统在3m空间分辨率下的应变测量精度为3.17；分析了多功能传感方案测量温度时的温度频移系数，同样利用洛伦兹拟合方法获得系统在3m空间分辨率下的温度测量精度为0.45℃。(4)介绍了特种光纤的种类，重点介绍了保偏光纤、色散补偿光纤和光子晶体光纤的原理以及在光纤传感技术上的

7、应用；研究了普通光纤和高非线性光纤光纤的布里渊散射光谱特征，包括两种光纤布里渊增益带宽，中心频率以及受激布里渊阈值的对比，发现高非线性光II摘要纤布里渊增益带宽更宽，中心频率更小，受激布里渊阈值为78mW,比普通单模光纤的7.9mW更高，因此在某些需要用BOTDR系统的场合下可以降低受激布里渊效应对系统性能的影响；通过实验研究得到了高非线性光纤的温度频移系数为0.413MHz/℃，应变频移系数为0.0309MHz/；基于理论研究与实验验证提出一种基于高非线性光纤的温度和应变双参量测量方案，并给出方案中各器件的选型

8、要求。关键词：光纤传感，多功能分布式传感，应变监测，温度监测，入侵监测IIIABSTRACTRESEARCHONTHETECHNOLOGYOFMULTI-FUNCTIONALDISTRIBUTEDOPTICALFIBERSENSINGSYSTEMABSTRACTThedistributedopticalfibersensing(DOFS)tec