布里渊-拉曼融合传感信号解耦技术研究

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分布式光纤传感器以其结构和性质上的优势,正在逐步获得市场的认可,同时也越来越受到研究人员的重视,其中基于布里渊散射效应和基于拉曼散射效应的分布式光纤传感器发展最为迅速。但是,布里渊光纤传感系统的布里渊散射频移量和功率同时受到温度和应变的影响,在不采用参考光纤的情况下,由于系统硬件性能的限制难以实现对双参量的高精度测量;若是采用参考光纤,则对光纤的铺设要求较高,铺设难度大。因此,在一些需要准确测量的场合,布里渊光纤传感的应用受到限制。而基于拉曼散射效应的分布式光纤传感器,虽然可以实现对温度的高精度测量,但是由于拉曼散射不受应变的硬性,因此不能实现对应变的测量,应用场合十分有限。本文根据布里渊传感系统的温度/应变敏感的特性,结合拉曼传感系统远距离、高精度测温的特性,提出布里渊-拉曼融合传感的测量方法,并针对融合传感信号的解耦技术进行了研究,实现了温度和应变的高精度测量。本文的具体工作如下:  (1)首先,对布里渊分布式光纤传感器技术和拉曼分布式光纤传感技术进行了原理性分析。主要是对布里渊分布式光纤传感系统中的布里渊散射频移量和功率与光纤所处温度和所受应变之间的关系和拉曼分布式光纤传感系统中背向拉曼散射强度与温度之间的关系进行了理论分析。就当前基于布里渊散射效应和拉曼散射效应的的分布式光纤传感技术的发展情况、信号的处理方法以及对解调结果的影响进行了理论探究,为后续布里渊-拉曼融合传感系统的信号解耦合方法,奠定理论基础。  (2)其次,主要是对布里渊传感装置的光源、拉曼传感装置的光电转换器进行了设计,并根据融合传感的要求对融合传感装置中的其他关键模块进行了选型,主要是针对高频的布里渊散射光的光电转换器和已经比较成熟的拉曼传感装置的光源选型。并根据当前的布里渊光纤传感系统的结构和拉曼光纤传感系统结构,搭建了布里渊-拉曼融合型传感实验系统。  (3)然后,针对拉曼分布式光纤传感系统中温度解调技术原理得到的温度测量值比真实值偏小的现象,进行了调研,分析了误差产生的原因并提出了解决方法。根据文献中提到的背向拉曼散射光中斯托克斯信号和反斯托克斯信号存在峰值错位现象,提出了先进行峰值移位,再进行反斯托克斯信号与斯托克斯信号对比解调,来减小由于峰值不同步引起的温度解调误差。根据布里渊和拉曼分布式光纤传感的测量原理,推导了融合传感装置的应变解调公式。  (4)根据搭建的融合传感系统,对峰值移位后再解调的方法进行了实验验证,并对融合传感的信号解耦,设计了融合传感系统的温度、应变的综合实验。实验结果表明,在拉曼分布式光纤传感系统进行温度解调时,对于采集卡采集到的背向拉曼散射中的斯托克斯和反斯托克斯信号的错位,进行峰值移位后再解调的方法,可以有效的减小测量误差,对于融合传感系统的应变解调的精度也有着显著的提升作用,实现了融合传感系统对于温度和应变双参量的高精度测量。  最后的实验环节,不仅验证了布里渊-拉曼融合传感系统的可行性,还实现了单根传感光纤对于温度和应变双参量的高精度测量,对分布式光纤传感的发展具有一定的积极作用。
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