基于偏振优化光频域反射技术的分布式光纤传感机理研究

Aiming at the great requirement of long length submarine fiber cable monitoring and so on, this project will devote to the research of Rayleigh scattering distributed sensing mechanism based on polarization optimized optical frequency domain reflectometry (P-OFDR) technology, and focus on the solution of scientific problems and mechanism innovation including sensing principle, theoretical model and demodulation mechanism. Through the study of the project, it is proposed to solve the key scientific problems in this new type of distributed optical fiber sensing technology, including noise generation mechanism and suppression, polarization optimization and polarization information extraction, the mechanism and extraction between Rayleigh scattering and the external disturbance based on P-OFDR. By solving these scientific problems, we will complete the theoretical innovation of interaction coupling mechanism and physical processes between Rayleigh scattering and the external disturbance, by establishing the whole theoretical model including signal model and noise model of P-OFDR. And based on the P-ODFR system and Rayleigh scattering extract algorithm, it will be realized that multiple parameters (temperature, stress / strain, vibration) are implemented by all-fiber sensing experiments with long-distance of more than 150 km, high spatial resolution of less than 1 m.

本项目针对超长距离光纤海缆监测等重大需求，对基于偏振优化光频域反射技术(P-OFDR)的光纤瑞利散射分布式传感机理进行深入研究，着眼于传感机理、理论模型、解调机制等基础科学问题的解决和机理创新。通过本课题的研究，拟解决这种新型分布式光纤传感技术中的关键科学问题，主要包括噪声产生机制及其抑制、偏振优化及偏振信息提取、基于光频域反射技术的瑞利散射传感机制及提取等。这些科学问题的解决，有助于实现光纤中瑞利散射信息与外界扰动之间相互作用耦合机理方面的理论创新，拟将建立P-OFDR的完整理论模型、信号模型以及噪声模型。并利用基于P-OFDR的瑞利散射提取方法，实现多参量（温度、应力/应变、振动）、长距离（>150km)、高空间分辨率(<1m)全分布式传感。

基于瑞利散射的光频域反射技术是分布式光纤测量与传感技术中的新型方法，具有高动态范围，高灵敏度和高空间分辨率等优势。本课题采用光频域反射技术以及双马赫曾德分布式光纤传感技术实现多参量（温度、压力/应变、扰动）、长距离、高空间分辨率全分布式传感，主要开展以下几个方面的研究并取得相应的成果。.通过对光源非线性调谐的基本原理的分析，建立外时钟采样技术的误差理论模型；提出一种全新的算法对外时钟的采样误差进行实时测量，并结合理论公式对采样误差的影响因素逐一分析，通过优化相关参数，实现光频域反射技术的分辨率指标及传感定位精度的提升。提出了一种基于OFDR瑞利散射光谱分析的分布式长距离光纤扰动传感方法，先对光频域反射信号进行优化去斜滤波方法的处理，再通过对光频域信号瑞利散射光谱的互相关分析，从而解调出扰动信号的位置和幅值信息。该方法光纤的被测长度达到40km。完成了基于光频域反射技术分布式光纤传感系统进行仪器化设计工作，分别从软件及硬件层面进行了设计。.研究了光纤后向散射噪声对干涉型光纤扰动传感器信噪比的影响，基于双光源和光纤滤波器提出了一种抑制背向散射的系统结构。将该结构与双Mach-Zehnder型光纤扰动传感技术相结合，组成基于非对称双Mach-Zehnder结构的光纤扰动传感技术，在传感距离较长时保持较高的信噪比。研究双Mach-Zehnder型分布式光纤扰动传感技术的模式识别算法，采用峭度估计、经验模态分解和径向基函数神经网络，开发了结合EMD和RBF（Radial Basis Function）的高效率多事件模式识别方法。开展了双Mach-Zehnder型分布式光纤扰动传感系统偏振控制模块的仪器化研究，采用模块化设计思想，设计了FPGA单板硬件的电源、AD转换等单元的原理图，制板后和偏振控制器、相位调制器结合，实现偏振控制模块的小型化。对双Mach-Zehnder型分布式光纤扰动传感系统在铁路周界安防应用中所遇到的技术难题开展研究，并在此基础上对系统光路结构及信号处理方法进行改进，以适应传感系统实际应用需求。