基于光脉冲时间偏移量的分布式光纤传感机理研究

Optical pulse time offset was neglected and lack of researching in conventional distributed optical sensing, which was based on the intensity, wavelength, phase or frequency modulation of optical signal, and the temperature, strain and pressure which contained in optical pulse time offset were not widely detected and used. Nowadays the distributed optical fiber sensing possesses a lot of merits, such as the fast transient response, higher resolution and high detecting precision. So aiming at the requirements, a novel distributed optical fiber sensing mechanism theoretical model based on optical pulse correlation and differential technique was presented. Through the combination of numerical simulation and experimental method, it revealed the function relationships between optical pulse time offset and the measured physical quantities in the correlation detection, explored optical compensation principle for fiber residual birefringence offset effect, and expounded the distributed optical sensing location mechanism in selectable-regions detection theory. These studies offered firm theory foundation for distributed optical sensing technique based on optical pulse time offset, at the same time, it developed an novel approach that for the distributed fiber optical sensing system, which exhibited the features of the high time/space resolution, selectable regions and real-time.

基于光强、波长、相位或频率调制的传统分布式光纤传感系统中，光脉冲时间偏移量往往被忽略而没有进行深入研究，其中所蕴含的温度、应变和压力等测量信息也未利用。针对当今分布式光纤传感系统兼备动态响应快、测量精度和分辨率高等需求，本项目通过研究光纤中的光脉冲时间偏移量，应用光脉冲相关性和差分技术建立一种新颖的分布式光纤传感机理模型，采用理论建模计算与实验测试验证相结合的方法，对基于光脉冲时间偏移量的分布式光纤传感机理进行研究，重点揭示光脉冲相关性检测中时间偏移量与光纤周围温度和应变等被测量之间的函数关系；探索消除光纤残余双折射漂移效应影响的光学补偿原理和方法；阐明区域可选择性的分布式光纤传感定位机制。本项目将为该种基于光脉冲时间偏移量的分布式光纤传感技术奠定坚实的理论基础，同时为兼备高时间分辨率、高空间分辨率、区域可选择和实时性好等优点的分布式光纤传感系统检测提供一种全新的方法和途径。

目前广泛使用的基于光强、波长、相位或频率调制的光纤传感器系统中，很难兼备动态响应快、测量精度和分辨率高等要求，而蕴含着温度、压力和应变等丰富信息的光脉冲时间偏移量往往被忽略而没有进行深入研究。为了解决上述问题，本项目以光纤中的光脉冲时间偏移量作为研究对象，提出了一种基于光脉冲时间偏移的光纤分布传感器系统，并从基于光脉冲时间偏移量的检测基础理论及技术、基于光强反射的分布式传感器检测光路设计及优化、单模光纤双折射漂移效应的补偿方法及处理技术等三个方面进行了深入分析和研究。在基于光脉冲时间偏移量的光纤传感机理方面，建立了基于光脉冲时间偏移量的光纤传感机理数学模型，重点分析了光纤热膨胀系数、光纤长度、入射光波波长等因素对传感器系统检测灵敏度的影响。物理模型试验验证了模型的有效性，可用于优化传感器结构及提高测量性能。在对于单模光纤进行补偿方面，为了提高基于光脉冲时间偏移的光纤传感系统的测量性能和长期可靠性，克服测量过程中的温度和应力测量的交叉效应，项目首先对应力与温度测量中的交叉影响数学模型进行仿真计算，并通过理论仿真实验进行了验证。其次提出利用神经网络来降低外界干扰对系统的干扰，从而提升该传感器系统的测量性能，建立了基于神经网络的光纤传感器补偿机理模型，可用来补偿温度、光源功率，光路分光比和光纤扰动等因素的影响，可以有效地滤除信号中噪声并提高其线性度。在光纤的分布式测量方面，提出光脉冲时间偏移的单光纤分布式传感系统模型，重点分析了检测区域的最大数量、检测区域的光纤光路最佳长度等参数，可以有效提升系统的检测能力。在上述各方面研究的基础上，研制出了基于光脉冲时间偏移的分布式光纤测量系统样机，并进行了温度和应力的系列实测实验。单元物理模型试验及样机整体试验结果表明，该传感器在测量性能、环境适应性、长期稳定性和实用性都有较好的性能，可用于多种环境下的分布式光纤实时测量。