（光学工程专业论文）复杂信号谱位相调制光纤传感技术的研究.pdf

摘要 2 .构建了 超长距离复 杂信号分布式光相位实验传感系统的 光路。 选择了合 适的 激光光源的输出 功率、 线宽， 保证光波在干涉仪中可以 发生千涉:根据光 纤理论， 选择单模光纤， 工作波长为1 5 5 0n脚 。 设计了8 字成缆结构， 使传感臂、 参考臂、回传臂封装在一 起，便于安装和调试，同时又增强了 传感系统的灵敏 度。 祸合器的 严格分光比 应为0 . 5 ， 而且枷ch一 z ehnder干涉结构中的两个祸合 器的分光比应尽量相同，以得到最大的可见度。 3 . 设计了 用于本传感系统的 模拟运算锁相电 路， 能 有效抑制外界 扰动; 直 流相位跟踪法最适合于超长距离复杂信号光相位检测系统。 与数字锁相电路相 比，模拟运算锁相电路的信号处理速度和同步性更高，因此， 搭建模拟运算锁 相电 路实现直流相位跟踪。本文从自 控原理出发，分析了优化模拟运算锁相电 路性能的方法，分析表明， 模拟运算锁相电 路必须是由 两个积分环节构成的二 阶系统， 才能够实现无误差的相位稳定。实验验证了 上述理论分析，与一阶锁 相电 路相比， 二阶锁相电 路使传感系统稳定性 提高了 一个数量级。 4 . 通过稳定光源偏振态和输出功率、 滤波技术和信号预处理电路， 有效降 低了 传感系统噪声。 分析了 传感系统中 各种噪声产生的原因，提出了 解决的方 案.偏振态的随机波动会在传感系统中产生偏振噪声 ( 或称为偏振信号衰落) 和相移噪声，使光电信号的可见度下降。通过控制偏振态的方法，使传感系统 输入光波的偏振态矢量与传感系统中干涉仪的本征偏振态矢量重合，使偏振噪 声和相移噪声都得到了 有效抑制， 光电 信号的可见度得到提高。搭建了激光驱 动电路和温控电路，稳定光源的输出功率，减小光源幅度噪声。设计了光电信 号预处理电路，使一路光电信号可以转化为两路互补的信号，降低了激光相位 噪声。设计了适合的滤波器，抑制了复杂信号光相位检测的噪声。 5 ， 提出了多次计 算逐步逼近相关算法和“ 双m ach 一 zehnd er” 结构相结合的 方案，实现了 对被探测量进行分布式高精度定位。 对相关定位方案进行了理论 推导。研究了定位时对光电信号的采样频率和采样点数选择的问题。提出多次 计算逐步逼近算法减少定位误差、 提高 检测效率。 实验上采用2 40kh: 采样频率， 1 0k采样点， 理论上 得到的 定 位误差范围为7 枷， 计算时间 为又 34. 6 7 ms。 这 样的 结果在实际工程中是可以接受的。用上述相关定位方案和算法，在长传感距离 ( 5 0 lha)范围内对振动信号进行定位，最大定位相对误差小于土2 %;当传感系 统埋设于地下0 . 5 米处时，定位相对误为土0 ， 1 9%。 摘要 本文对下面的问题进行了 具有创新性的探讨: 1 .建立了 相位传感系统检测信号的形成模型， 揭示了 光电 信号频率特性和 被测量的振动频率和幅度的定量关系。依据干涉和振动理论， 推导出传感系统 的检测信号频率的 变化与被测振动信号的 频率和幅 度的定量关系，并为实验所 验证。这一结果可为设计传感系统滤波器和相关电 路，提高系统检测灵敏度和 增长传感距离提供重要参数;也可为设计传感系统自 动识别不同类型的振动信 号提供了理论和实验依据。 2 .设计了模拟运算锁相电路，有效抑制了外部扰动，提高了系统稳定性， 实现了50肠距离的分布式光相位传感。 应用自 动控制理论对模拟运算锁相电路 的设计方案进行了 理论分析， 优化了电 路的性能， 使系统比 优化前的稳定性提 高了 一个数量级。模拟运算锁相电路比 数字运算锁相电路具有更快的信号处理 和同步控制速度。本文也解决了模拟运算锁相电 路的重置问 题。 这些技术措施， 是实现灵敏而稳定的超长距离分布式光相位传感的技术保证. 3 . 提出了多次计算逐步逼近相关算法和“ 双m ach 一 z ehnder”结构相结合的 方案，实现了对被探测量进行分布式高精度定位。 关键词:超长传感距离 分布式光相位检测 复杂信号 模拟运算锁相电路 相 关定位 ab s t r ac t 丁 七 eo p t i c alp b 足 犯sens ing isthe sensmgm e t b o d州thhi g h e stse n s i t i v ity. 砒沈 n t 1 y th er e has be e n cons i d e ia b l e in t e r e st垃the 邝 s e ar c h onfe a 奴 叮 e r e c o 加1 1 on 朗d shift l a wofo 抖 1 喇 p h 出 姆9 o. 拍 t e d 勿envir o 刊 旧 e n 园di 引 也 b an ceor勿叨 m p l ex 幼 创 园onli ght w a v 吧 . the d i ffi 浏tytodo soas叔 d e t e c t ion ofo p l i c aip ha 义shiftis 别 场 ect toe n v 云 0 刊 叮 e n ta l di s 奴 ir b ance . it ，sd l ffi c ult tofo c a t e si 邵 lalan d g 出 nsi gnal 丘 ， 恤。 byd e t ec t in g o p t i 回 p ha 此shi几e s pe c l 日inh ar s b e n ， u . 幻 匡 n ent. b ec 吟 the 如 生 姗i tyofd e 把 d e d 溢 翻目15机akorthe s n r( 5 gr 阁n o i 邵只 旧 t i o)is切 。加 代 mor e o v er，o p t i cal shiftcan，t be d 叱c t e d d ir ec tlr an d noi 女红 田 y bea d d edth ro u gh 加 d ir 时 山 改 。 沈 io n . 玩面s r 峨ar c l l ， the o p t l c alp h ase s hi ft ofdi 如b ut ed0 p t ic alfi h 沈 sens in g sy s t。 叮 侧 也u 】 七 皿 l ong d et ec l i n g range(5 o k m ) is d e t 伙 出 泪 . in而s sy 引 七 mthe 51 卯川isal way b 颐目ine n v l r o 口 m entaldi s n 址 b a n c e . the loca t in g ofc o m p l exsi gna l isai sothe di ffi cultyof面s re 义 ax c h . o tdr( ofd r ) i s c u 厅 e n t l yav a i l ab l o u p o n l o c at i n g ， b o w e v er，面s m e th odcan ，t d et e c t 0 p t i 阔p h 睽 s hi 几soitsp r o ce s g 吨 s peed 胡d。 汤 板 tyis二o wandn o t 勿 i la b lefor o p 幻 ajp l l ase d e l 伙 如gs y st 的. 5 。助 运 刁 印山咖d y ofthe l oc at i n g pro bl em is 业 树ed 丁 七 e b as icth eo 邝 t i c alan d t e c 助o l ogic aip r o bl em ofd e t 。 沈 in g optic aip h ase s h i ft 51 9 劝 o ver 1 0 n g 别 沈 巧 川 9 仆 口 g e as锵u asthe l 以 翔 1 访 g ofd e t 以 爪 泪51 即a 】 诩n 比so l v e d inthis is k . soth e i n l 】 uenceofkey d e v ic ess h asl se l 城i onu pon the 9 sy st e mfe at ur e is n e ededtober e se ar c h ed. in面s task ， hi ghp 几 心 es sing s peed明d hi gh 5 扣c hr o 习 画t i o n ofsi g l alp ro c e s 咖g p roced 眠 瞬 necessa 理 soanana 】 o g s y s t e mis 加 ， t e din面5 七 巧 k . 认 七 成menti o n 目 a 加， eb . 5口 otbe n闷幻 rt e dinc 翻 由 e seand 。 v 亡 晓 沈 朋p 勺 ” r s by奴 c o u n 姆 ofd ocume n ts爬 幼仰ai. .几e d e v e 】 o p m ent w o rk胡d the con c lusi onare li s t e d asthe folfo 铂d g . 1 . 丁 七 山 。 卿ofin t e rfer 即 cei s 别 ” d i e d几e th co r e t i 阔 . o d e l o f ul 加 l o n g g n 口 g e co m p l ex滋 9 a l 叩坛 司 p h 田 姆sens 吨 sy st c ma 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sis f ur th e n 力 ore， a p r 般 t i c aip ha 阴fo c k edz . o r d e r sy s te misd e m o n 引 洲 对 e d 曲 d itso u t p ut v 如a n c e is公 沁 ut3. s m vw hi leth atofthe l -o rd e r sys te mis3lm vt 五 e s ta b i l ityofth e 卿 就 e mh as卜 沈 n l m p r o v edby l o r d erofm a 助i tu d e . 4 . t b e in fl uencoofpolari乙 时 l on农 m d o mri p p l e u pon s e 。 ing s y s t e m 、 p r o p e rtyis 曲 目 y ze d th e o r e t l c ally.the 众 污 e 时 c h s h o w s th atin面s sy st e m ， 训. 面乙 时 i onnoiseand 如理 s h i ft 加i se幼u a p peard 讹topol 幼乙 双 l o n r and o mri p p le(or call ed州画刃 戒 l on 加 d u c e dfadi n g ) . irthe po1 ariza t i on of1 n p utli ght waveisco n ti n edsoastobe co ns i s t e n t 初ththe sy 引 睑 m 、访 苗 n s l c pol 耐刁 at l 叽 the pol 如名 时 l onnoisead d p h ase 曲 讯加i se幼n ber e tain e d gre胡y 助 d the vi sibil ityofo p t o e l e 口 tr o nic si g 词 win be 汕p ro v ed. 丁 七 e d ire ctc 理 rr e n t o ffsetwin 比mos t 】 洲 e l li n l n at edadd it isd 。 二 e a se d 台 o m i vtoo. 4 vt b e si gnalaj 叮 p l i to d 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位论文原创性声明的法律责任由 本人承担。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 勃 习 加 7 年歹月 刁 日 第一章 绪论 第一章 绪论 第一节 引言 复杂信号谱 ( c o m p l e xs i g n a 1s p e c t r u m ) 具有这样一些特性:( 1 )被测信 号本身频谱非常复杂或信号的谐波分量分布广泛:( 2) 被测信号本身强度绝对 值极小 ( 幅度量级 达到产 牙，n 牙或p 平) ; ( 3) 被 测信号幅 度相对于噪声 显得 很微弱， 有用信号 被淹没在噪声中， 信噪比 低( 约为1 0 一 ， ，1 了或1 了) ; (4) 检 测微弱信号的系统不是直接的探测系统，需要间接的变换，变换往往会产生大 的附加噪声。 复杂 信号 谱的 光 相 位检测是指对 具 有上 述 特 性 ( 1 ) 、 (2) 、 (3) 、 (4) 的 光 电信号进行研究和测量。复杂信号谱相位调制光信号检测系统不是直接对于被 探测量本身进行操作，而是对这个被探测量的一个光学量表示 ( 如: 辐射光、 透射光或千涉光等)进行探测。复杂信号谱的分布式相位传感技术是一种新型 检测复杂信号谱的传感技术，因其诸多独特的优点，在石油、化工、安全和军 事等领域具有广泛的实际应用。 例如: 我国现有石油油气管道5 万多公里， 在 管道上打孔盗油、盗气造成的事故十分频繁。 随着管道沿线经济的快速发展， 沿线施工、 动土随处可见， 这些都威胁着管道的生 产安全。 2 0 03年12月19日 兰成渝输油管道因盗油发生破裂，大量汽油外泄， 造成宝成铁路停运7 个多小 时，管道停输14个小时， 5 00米长的河面被污染。 石油管道行业每年投入了 大 量的人力物力来保障管道的安全运行，仍然无法预防和阻止破坏。 “ 十一五” 期 间将建设3 万多公里的油气管道，管道行业的安全生产形势非常严竣， 寻找确 保管道运输安全生产的手段和方法己迫在眉睫。复杂信号谱的分布式光相位检 测技术具有灵敏度高、对被探测量复杂谱可进行分布式检测定位以 及传感距离 长的特点，在安全领域具有很大的应用价值。 应当指出，实施长距离分布式传感所检测的信号是比 较复杂的， 但是它总 可以 被认为是一种具有振动特性的复杂信号谱 (c0 田 p l ex s i g na1s p ectr uln) 。 因此，利用光学方法检测复杂信号谱必须借助于光相位检测原理和弱信号检测 技术来实施。光纤分布式相位传感技术就是这样一种新型检测复杂信号谱的传 第一章 绪论 感技术， 但是要在超长距离上实 现分布式位相传感还有许多问 题没有突破。 本 论文的 研究工作是在这一思考的 基础上而展开的。 第二节 复杂信号光位相传感技术的研究概况 对于较短 传感长度的 ( 几十厘米到几米)光相位检测传感系统，目 前国内 外已 经作了 很多 研究。 2 0 00年 澳大利亚f 盯 公司 报道了 一种分布式光相位传感 系 统l ， 该 系 统以 光学千涉理 论为 基础， 结 合了 光 纤传感 技术， 可以 不间 断、 实 时地采集z o k 口 传感距离内的各 类振动信号，并可以 利用己 有的 通讯方式构成通 信网 络， 实现具有实时性、 可精确定位的防止第三方干扰的 传感系统，定位精 度士 15 。 米。 2 0 0 2 年h o tate 等人 提出当 对光源进行某种频率调制时， 其能谱为 梳 状函 数， 千 涉 仪 的 相 干函 数 称 为 占 样的 函 数 12 。 改 变光 源的 调 制 频 率， 当 相 干函 数扫描到占 峰的 存在时， 通过频率改 变量可以 确定干涉仪两臂光 程差。 利用这个 原理，可以 对振动等物理量进行分布式检测.这种检测方案需要保偏光纤，因 此系统造价很高， 其定位精度与 偏振模色散、调制频率、 侧量次数有关，测量 次 数 越 多 ， 时 间 越 长 ， 精 度 越 高 。 20 03年 ， 胡 志 新 等 人 13 介 绍了 介 绍 基 于s a 卯 留 干涉仪原理的 天然气管道泄漏传感系统，实验表明管道内的 压力大小， 泄漏量的 大小、泄漏点的 位置和光纤 环的长度等因素都会影响测量的 准确度，系统稳定 性还不令人满意。 2005年灿盯 e z 等人通过检测光纤中不同位置的背向 反射光在 光 电 探 测 器 处 产 生 干 涉 光 相 位( 尹 一 口 r 。 丑 ) 的 变 化 在2 枷 的 范 围 内 对 振 动 进 行 分 布 式 检 测 ll 。 j uarez 等 人 将 不 同 时 刻 得 到 的 护 一 口 tdr 曲 线 相 减 ， 对 振 动 信 号 定 位。 这种检测方案对光源的要求很高， 线宽 3k h z ，频率漂移在1 . 5 一 s k h 刁 sec 的 数量级，而且仅能对信号进行定位，不能分析被探测量的特性。同年，天津大 学周玻阁 等人研究光波相位与被测量的 关系， 提出了 一种基于m 朗 h . 众加d e r 光 纤千涉仪原理的分布式光纤管 道泄漏检测技术。 但是，目 前还未见到有关超长 距离 ( 约50k m) 的分布式光相位传感系统的研究报道。 此外，日 本金泽大学研 究 采用频率 调制 连续 波 ( fmc w) 方 法进 行分 布式检测 回 ， 这种 方法不需 要高功 率光源，但传感距离受到光源千涉距离的限制。金泽大学最近证实传感距离可 以超越光源干涉距离的限制，但是，分辨率和传感距离还不理想，而且也受到 光源线宽限 制， 在采用线宽小 于1 0 0 幻 七激光器的 情况下， 能以 数十米的 空间分 辨率实 现 i o k m的分布式传感。 采用这种方案的技术瓶颈是要实现对光 源频率 第一章 绪论 较大宽度的 现行 扫描，目 前而言， 还无法有效地做到这一点。 除了 上述介绍的各种分布式光相位检测以 外， 还有其它的分布式检测技术， 如光时域反射技术 ( o t d r ) 、频率调制连续波 ( f m c w) 等技术。这些技术虽 不是光相位检测技术， 但其中关于对被探测量进行分布式定位的 研究内容对本 文也具有很高的参考价值。最早的分布式光传感系统采用光时域反射技术 (ot d r ) 17， 幻 对 被 探测 量 进 行定 位。 。 t d r 技术 把窄 带 光 脉 冲 被 入 光 纤中， 利 用 雷达原理，通过检测后向散射光强随时间的变化对光纤中的损耗进行定位。此 外， 利用o tdr 技术 还可以 对 温度 和 辐 射计量等物 理量 进 行分 布 式定位19-11 . 石英光纤的 后向散射光谱中除了瑞利散射谱之外还包括布里渊散射谱、拉 曼散射谱等部分。 通过对这些散射光强的检测也可以 对某些物理量进行分布式 定位。如对布里渊散射光进行检测的 b o t d r技术就是目 前研究热点11 2-1 41 。 b o t d r注入脉冲光， 在同 一端观察布里渊后向 散射光， 根据注入光和散射光之 间的 时间 差对信号定 位。 宋牟 平113 提出 采用微波电 光 调制 产生 频 率可调的 参 考 光， 和后向 布里渊散射光进行相干检测， 得到放大的 布里渊散射光信号， 再用高速 模拟数字转换和存储叠加进行时序信号处理， 最后得到分布式传感 信号. 这种方 法需要高速电子线路，实现价格太高，对光源的调制会引入噪声，不适合微弱 信号的检测。总的 来说，各种o t d r技术，如b o t d r( 检测布里渊散射光) 、 r o t d r( 检测拉曼散射光)不适合用于在超长传感距离上对物理量进行检测， 因为它们都是以 测量光强的 变化量对被探测量进行检测。 随着光纤长度的 增长， 散射光的 损耗也加大， 如在普通单模光纤中拉曼回 波损耗高 达0. 35db/ k n l 。 因 此 各种o t d r 技术需要在传感系统中 注入高功率脉冲光获得足够的 信噪比。 此外， 如果被探测物理量的变化没有改变光纤的瑞利散射、拉曼散射或布里渊散射光 强的分布时， 这种方法就无法用于定位。因此，这种技术不适合于超长传感距 离的物理量定位。 光频域反射技 术 ( o f d r ) 是另 一种分布式定位技术问 。 其反射光的 拍频信 号的频率随产生反射光的点与光纤始端的距离成正比的 增加。 这种技术需要相 干性非常好的激光光源， 而且散射信号的空间变化容易发生畸变。因此，目 前 对o f d r的研究仅限于实验室阶段， 还没有用于实际的物理量测量。 基于上述研究进展和实现超长距离分布式复杂信号位相传感技术的实用性 和迫切需求性，尚 有许多基础和技术问 题急待解决。本论文对其中某些基础问 题尤感兴趣。 第一章 绪论 第三节 长距离分布相位传感的关健问题 光 相 位 传感 是 灵 敏 度 很高 的 光传 感 方 式 1 均 ， 但 也 极易 受 外界 扰 动的 影响 。 传输光束受外部环境的微扰动或弱信号调制而产生的 相位变化规律和特征识别 也是光传感领域目 前研究的 热点之一。由 于光相位变化极高的 灵敏度， 特别容 易受到外界环境扰动的影响， 尤其是在实际 应用环境下， 测量相位的变化， 并 由此感知外部扰动的性质和发生的位置是不易实现的:被测信号本身强度很小， 外部各种噪声复杂，而且对于光相位实现间接测量的变换中又会产生附加噪声， 因此系统的信噪比很低。 在这样的传感系统里，检测超长传感距离 (5o k m) 分 布式光纤传感系统的 光相位变化信号，由 于传感系统的 稳定 性受到外界扰动的 影响，因而无法对复杂信号进行检测，因此如何提取被测信号，进而对其进行 定位是本研究需解决的关键问题。目 前解决定位问 题的方法是采用光时域 ( 或 频域)反射技术， 但是由 于反射信号不含光相位信息，且处理速度慢、灵敏度 低，有待进一步改进。因此，如何在 5 0 k m的距离上对复杂信号导致的光相位 变化进行分布式传感和定位是一个令人感兴趣的、极具有应用前景的课题。 上一节介绍的光相位检测传感技术仅适用于较短的传感长度，且造价过于 昂贵，难以实用化，仅限于实验室中的理论证明和研究。因此，要实现长距离 分布式相位传感需要研究下述关键问题: 1 ， 光电信号频率特性和外部调制频率、幅度的关系。只有对这个问题进行 深入的研究， 才可能设计出 合适的复杂信号提取系统，提高系统的信噪比，实 现在超长距离上对信号的分布式检侧。本问题的 研究是建立可行的位相传感理 论模型，为位相传感系统自 动识别和分析外部复杂信号提供依据。 2 . 抑制外界扰动， 提高超长距离的 分布式光相位传感系统的稳定性。 外界 扰动影响到传感系统的稳定运行，难以正确地检测复杂信号。由于传感系统对 于信号处理速度和同步性有较高的要求，需要设计模拟运算锁相电路来抑制外 界扰动。此外，如何优化锁相电路的性能，使传感系统稳定性达到最佳也是需 要研究的内 容。这些研究将为传感系统正确地检测复杂信号提供保证。 对上述问 题的 研究还未见报道。据此，本论文在借鉴已 有研究成果的 基础 上， 从光学基本理论出 发， 拟对上述关键问 题进行理论探讨和实验研究， 建立 超长距离分布式光相位传感的理论模型和系统. 第一章 绪论 第四节 本文的研究工作和创新性 在介质中 传播的光波相位由 于受到被探测量的影响而改变， 具有十分灵敏 的特性。 本论文通过测量在超长光纤中 传播光波相位变化确定被测信号的 性质 和发生的 位置。待测的复杂信号和环境噪声都在对传感系统进行调制，外界扰 动干扰了 系统的检测，同时 传感系统的 本底噪声也干扰系统对待测复杂信号的 检测， 实验表明， 待测的复杂信号往往比噪声对信号的调制小1 一 2 个数量级， 给 相应的检测带来很大难度。在上述条件下实现对被探测量的光相位检测， 并且 在超长距离上 ( 约为5 0 k m ) 对被探测量的 变化位置进行定位， 这样的检测过程 称为复杂信号谱的分布式光相位检测。 本文基于光学干涉理论，首先对于千涉理论的内涵和定义进行了扩展性的 探讨，在此基础上研究和搭建了复杂信号谱的分布式光相位传感系统的光路结 构。 在此光路系统上研究了相位衰落、 偏振噪声、光电转换等各检测环节的附 加系统噪声， 对提高检测灵敏度、加长传感距离、 提高定位精度和揭示被测信 号特征等的影响和关联性进行了 探讨. 主要内容包括: 1 .搭建超长距离复杂信号谱光相位传感系统的理论模型。在对千涉理论深 入理解的基础上，通过对传感系统光电 信号的形成过程进行研究，分析光电 信 号的频率特性。 推导出光电 信号频率特性和外部调制量频率、幅度的关系。 2 ，构建了 超长距离复 杂信号分布式光相 位传感系统的光路结构。 研究在相 关组成环节上如何提高信噪比的技术和理论。 3 .设计适用于本传感系统的模拟运算锁相电 路抑制外界扰动。 直流相位跟 踪法最适合超长距离的复杂信号光相位检测。与数字锁相电路相比，模拟运算 锁相电路的信号处理速度和同步性更高。因此搭建模拟运算锁相电路实现直流 相位跟踪法。 从自 控原理出发分析优化模拟运算锁相电路性能的方法. 4 .研究利用光相位信号对被探测量进行高精度定位的方法， 设计高效的算 法实现高精度定位算法。 本论文以超长传感距离分布式光纤传感系统作为研究载体，实现了 如下研 究目 标: 1 . 解决了调制光相位变化信息的提取以及在相应环节上如何提高信噪比的 理论模型和技术问题 ( 如研究光电 信号光强变化规律和外部调制之间的关联性、 第一章 绪论 光纤的成缆结构、对系统噪声的抑制等问题) ，达到可以 提取和处理超长传感系 统受到外界微弱信号调制的光相位变化信息。 2 . 提出 了 有关信号定位的相关的 理论描述和模型算法，实现对被测物理量 的定位。 本文对下面的问题进行了创新性的探索: 1 . 建立了 相位传感系统检测信号的 形成模型， 揭示了光电 信号频率特性和 被测量的振动频率和幅度的定量关系。依据干涉和振动理论，推导出传感系统 的 检测信号频率及其包络数与被测振动信号的频率和幅度的定量关系，并为实 验所验证。 这一结果可为设计传感系统滤波器和相关电路，提高系统检测灵敏 度和增长传感距离提供重要参数: 也可为设计传感系统自 动识别不同 类型的振 动信号提供了理论和实验依据。 2 . 设计了 模拟运算锁相电路，有效抑制了 外部扰动， 提高了 系统稳定性， 实现了50km距离的 分布式光相位传感. 应用自 动控制理论对模拟运算锁相电 路 的设计方案进行了理论分析，优化了电路的 性能，使系统比 优化前的稳定性提 高了 一个数量级。模拟运算锁相电路比数字运算锁相电路具有更快的信号处理 和同 步控制速度。 本文也解决了 模拟运算锁相电 路的重置问 题。 这些技术措施， 是实现灵敏而稳定的超长距离分布式光相位传感的技术保证。 3 . 提出了多次计算逐步逼近相关算法和“ 双施ch一 z ehnder” 结构相结合的 方案， 实现了 对被探测量进行分布式高精度定位。 本文的结构安排如下: 第一 章 介绍了本论文的 研究 背景和意义， 提出了 本论文的 研究目 标。 按照 研究目 标，确定了研究的重点内 容和拟解决的关键问题。最后对有关研究重点 内 容的国内 外进展作了简要介绍， 展示了 本论文的创新之处。 第二章 讨论了复杂信号光相位检测的基本理论。目 前的各类光探测器都不 能直接敏感光的相位变化， 必须采用干涉光强度测量技术， 才能间接实 现对外 部物理信号的 检测。具体地说， 外部信号改变了 传感光纤的特性，导致对其中 传输光的相位调制，调制后的 相位信号必须用千涉结构来进行“ 相位一 强度” 检 测，因此光波干涉理论和物理量对光纤调制理论是超长距离传感复杂信号谱光 相位检测的理论基础。 本章基于千涉的经典理论， 通过分析得出血ch一z ehnder 第一章 绪论 光纤干涉结构是最适合进行超长距离传感复杂信号光相位传感的结论。在此基 础上，进一步对光纤干涉仪探测外界物理量的基本原理进行了 研究，得出了 施ch一 z e h n der 光纤干涉结构输出 光波强 度随 光纤长度而改变的定量关系。 第三章对光电 信号频率特性和振动信号幅度、频率的 关联性进行了研究。 首先建立了h ac卜z ehnder干涉仪振动信号传感的理