基于时延估计的干涉型光纤传感定位系统研究
光纤传感技术是20世纪70年代伴随着光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，以光波为载体，光纤为媒介，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。干涉型光纤传感定位系统由于基于相位调制原理，其高灵敏度的探测特性已为大家所公认，然而为了实现稳定的，可靠的，高精度的，长距离的测量，光纤传感系统仍然存在一些难于解决的关键技术难题。因此，开展干涉型光纤传感定位系统的研究是一个非常有应用前景和实际意义的课题。 本论文对干涉型光纤传感定位技术进行了基本的介绍，重点分析了近年来干涉型光纤传感器的结构，相位调制解调技术及定位的基本原理，针对各自的特点和存在的不足进行相应的分析。在原有技术的基础上，对干涉型光纤传感定位技术进行全面的研究，提出了基于时延估计的干涉型光纤传感定位系统。本文提出的系统中使用宽带光源，克服了传统的光纤传感系统结构中由于激光器光源产生大量噪声的缺陷;通过波分复用器构造两个独立的干涉光路，并利用改进的基于3×3耦合器的相位还原方法对两个独立的干涉光路中的相位信号进行还原;经还原的相位信号是由两个具有时延的子信号叠加构成的一对复合信号。通过对复合信号中子信号的提取，获得两个具有固定延迟的信号，采用时延估计的方法解算出时延，从而确定扰动发生的位置。 本文对所提出的传感定位系统的基本结构，信号处理算法及系统的偏振特性和噪声特性进行分析研究。经过系统测试验证，所设计的干涉型光纤传感定位系统实现了稳定的，可靠的，高精度的，长距离的测量，为干涉型光纤传感定位系统的进一步发展起到了一定的促进作用。具体研究内容及成果如下: 1.根据光纤传感定位技术的现状，介绍了几种具有代表性的干涉型光纤传感系统，简单的分析了传感定位系统的相位解调及定位原理的特点和存在的不足，通过对干涉型光纤传感定位系统的分析，为实现高精度，长距离的扰动定位奠定基础。 2.针对现有光纤传感定位系统存在的问题，提出了一种新型的基于波分复用技术的单芯反馈式的干涉型光纤传感定位系统。在干涉结构中通过波分复用技术，在同一根感应光纤中注入两个不同波长的光，光传输到光纤末端，通过波分复用器将两种波长成分分开，分别沿各自独立的光纤路径到达各自的反射终端，两个光波分别形成不同的干涉。通过基于3×3耦合器的相位调制解调算法，获得由两个具有时延子信号叠加构成的一对复合信号。通过对复合信号中子信号的提取，获得两个具有固定延迟的信号，采用时延估计方法解算出延迟，从而确定扰动发生的位置。 3.本文运用琼斯矩阵法对由传输光偏振态在双折射影响下带来的干涉信号“偏振诱导衰落”问题进行分析，阐明了仅使用法拉第旋转镜并不能完全抑制和消除干涉仪中的偏振诱导信号衰落，并提出了稳定相干的保偏光路结构。该结构采用单模感应光纤与法拉第旋转镜组合，消除感应光纤偏振特性变化对干涉的影响。同时，通过在干涉模块中使用保偏光纤并以π/2的方式焊接，使光路结构的其它部分均工作在偏振稳定的状态，从而获得稳定相干的保偏光路结构，为传感定位系统的实际应用提供了稳定的光路状态。 4.本文从干涉系统信号产生的过程，对系统噪声进行分析，详细地分析了影响干涉系统灵敏度和监测范围的因素，通过基于相位生成载波的自适应噪声抵消技术抑制噪声对检测信号的影响，增大检测信号的信噪比，从而可以有效的提高系统的灵敏度和监测范围。 5.针对基于时延估计的干涉型光纤传感定位系统的应用背景，设计了相关的实验方案，并对实验结果进行分析。实验结果表明，本文提出的基于时延估计的干涉型光纤传感定位系统能够满足现有的应用要求，具有广阔的应用前景和实践意义。 主要创新点: 1.本文提出了一种新型的干涉型光纤传感器。在传感器中通过波分复用技术，在同一根感应光纤中注入两个不同波长的光，光传输到光纤末端，通过波分复用器将两种波长成分分开，分别沿各自的独立光纤路径到达各自的反射终端，两个光波分别形成不同的干涉。波分复用技术的使用，使得不同波长的两个干涉子系统检测到同一扰动经过不同路径的传播的信号。由此，传感器检测获得同一外界扰动信号引起的相位差。 2.本文提出了一种改进的基于3×3耦合器的相位调制解调算法。通过在干涉系统中引入相位调制器，在被测信号带宽以外的某一频率引入大幅度的相位调制信号，调整其幅度达到传感器的满幅，从而满足了基于3×3耦合器的相位解调算法中必须使用满幅信号进行直流补偿和归一化的要求，扩大了基于3×3耦合器的相位解调算法的适用范围。同时，提出一种精确计算3×3耦合器初始相位的算法，避免了3×3耦合器不对称造成初始相位不确定的问题，实现对相位信号的准确解调。 3.本文提出了一种针对由两个具有固定时延差的子信号叠加构成的一对复合信号的处理方法。通过对复合信号中子信号的提取，获得两个具有固定时延的信号，通过时延估计的方法，实现对时延信息的提取算法。具体步骤为:将经幅度调理后的两个复合信号直接相减，获得第一合成信号;随后将其中一个复合信号延时或超前t0，并与另一信号相减，获得第二合成信号;第一合成信号与第二合成信号具有强相关性，采用延迟算法，将延迟信息解算出来。 4.本文提出了一种稳定相干的保偏光路结构。该结构采用单模感应光纤与法拉第旋转镜组合，消除感应光纤偏振特性变化对干涉的影响。同时，通过在干涉模块中使用保偏光纤并以π/2的方式焊接，使光路结构的其它部分均工作在偏振稳定的状态，从而获得稳定相干的保偏光路结构，为传感定位系统的实际应用提供了稳定的光路状态。 5.本文提出了一种基于相位生成载波的自适应噪声抵消技术抑制噪声对检测信号的影响，增大检测信号的信噪比，从而可以有效的提高系统的灵敏度和监测范围。
光纤传感;定位系统;调制解调;时延估计;光纤通信
复旦大学
博士
物理电子学
贾波
2014
中文
TN929.11
131
2016-03-01（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）