【《基于Φ-OTDR的宽频域长距离光纤传感器实验探究案例》2600字】

基于Φ-OTDR的宽频域长距离光纤传感器实验探究案例目录TOC\o"1-3"\h\u17554基于Φ-OTDR的宽频域长距离光纤传感器实验探究案例 1310211.1长距离传感实验 1128981.1.1EDFA光放大实验系统 1239701.1.2实验结果分析与讨论 28911.2宽频域响应实验 3221661.2.1宽频域响应实验系统搭建 374241.2.2振动测试的实验结果分析与讨论 485821.3小结 71.1长距离传感实验1.1.1EDFA光放大实验系统因为EDFA光放大会引起脉冲展宽，从而对系统的传感性能产生不利影响，因此需要在光路中加入滤波器。实验中使用的滤波器中心波长为1550nm，波长抑制范围为1520nm~1544nm和1556nm~1610nm，最大光功率为300mW，最大脉冲峰值功率为10kW。如图1.1所示，首先用光谱仪观察滤波器对放大前后的光信号的影响情况，以确定实验系统中滤波器的位置，实验结果如图1.2所示。图1.1滤波器测试结构图1.2滤波器测试结果：（a）光源+光谱仪；（b）光源+滤波器+光谱仪；（c）光源+滤波器+EDFA+光谱仪；（d）光源+EDFA+滤波器+光谱仪由图1.2的滤波器测试结果可知，EDFA的加入在对光功率进行放大的同时导致谱线展宽，通过加入滤波器可以对放大后的光信号进行改善，且滤波器接在EDFA和光谱仪之间时对光信号的改善效果明显好于滤波器接在光源与EDFA之间。因此后续长距离传感实验中将滤波器接在EDFA与环形器之间以改善光信号，长距离传感实验系统结构如图1.3所示。图1.3光放大实验系统结构图1.1.2实验结果分析与讨论根据图1.3中的结构连接各器件，配置参数将采样长度改为25k，设置脉冲周期为550us，脉冲宽度为1400us，此时理论的最远距离为44.4km；。经过实验，当EDFA的泵浦电流为69mA，即光功率为545.4μW时，系统能探测到44.4km处的振动信号，如图1.4所示。图1.4系统探测44.4km处振动信号1.2宽频域响应实验根据2.1.2中的理论分析可得，可以通过在耦合器的某一端口处增加一定长度的延时光纤，达到提高传感单元对外界低频扰动的灵敏度的目的。本论文所研究的宽频域长距离光纤传感器存在三种模式：示波模式、传感模式和频率模式，分别用于实时显示波形、实时报警和解调振动信号频率。1.2.1宽频域响应实验系统搭建图1.5宽频域响应试验系统图1.6宽频域响应试验系统光路部分实物图据此，采用频率可控的压电陶瓷(PZT)作为振动源，设计了如图1.5所示的宽频域响应实验系统，其光路部分实物图如图1.6所示。在该实验系统中，入射光经过光源调试为脉冲光以后注入环形器，再通过耦合器C1后被分成两束功率50:50的光，其中一束经过延时光纤Lt后经C2被注入传感光纤Ls中；另一束光直接通过C2并注入传感光纤Ls。在环形器之后的光路结构中，背向散射信号与光信号共有4条路径选择。路径1：通过C1→Lt→C2→Ls，背向散射信号路径：Ls→C2→Lt→C1原路返回；路径2：通过C1→Lt→C2→Ls，背向散射信号路径：LS→C2→C1不经过Lt；路径3：通过C1→C2→Ls，背向散射信号路径：Ls→C2→Lt→C1；路径4：通过C1→C2→Ls，背向散射信号路径：Ls→C2→C1不经过Lt；显然当延时光纤Lt的长度远远大于光源的相干长度时，只有沿着路径2、3是等光程的，会发生干涉。由于单模光纤中的光波在向前传输时，偏振态会产生随机波动，从而引起干涉时相位发生漂移或信号强度降低，最终导致干涉仪输出光信号强度的变化[39]。从而引，传感光纤Ls的7.02km处缠绕在PZT上，用信号发生器产生的正弦波对PZT进行驱动，PZT产生电致伸缩效应。通过改变信号发生器的输出频率实现对PZT产生的振动信号频率的控制，从而改变该段光纤中的相位信息[40]，观察系统在示波模式下的波形情况以确定系统能否对该频率的信号实现响应。1.2.2振动测试的实验结果分析与讨论示波模式下无振动时的波形图如图1.7所示，此时迹线的抖动范围为800~1200。图1.7无振动时示波模式波形显示首先将10km的延时光纤接入干涉仪，通过设置信号发生器的频率值来设置加载到光纤上的振动频率，分别设置信号发生器输出频率为167Hz、600Hz、1000Hz、1990Hz，迹线抖动情况如图1.8所示。图1.8接入10km延时光纤后不同频率下迹线抖动情况：（a）167Hz；（b）600Hz；（c）1000Hz；（d）1990Hz对图1.8中各频率下的迹线抖动情况进行取值，得到了如表1.1所示的延时光纤10km时不同频率下迹线抖动范围。表1.1延时光纤10km时不同频率下迹线抖动范围信号发生器频率无振动167Hz600Hz1000Hz1990Hz迹线抖动范围800~1200500~2000500~2800500~3000500~3100由此可知，延时光纤长度为10km时，系统在167Hz~1.9kHz频率范围内的迹线抖动范围较无振动时明显变宽，即系统的频率响应范围为167Hz~1.99kHz，通过施加不同频率的波形图与无振动时的波形图迹线抖动范围进行对比，可以发现：系统对该范围内各频率的信号响应很灵敏。将延时光纤的长度增加20km，同样的，通过设置信号发生器的频率值来设置加载到光纤上的振动频率，分别设置信号发生器输出频率为66Hz、480Hz、1000Hz、4000Hz、6000Hz、7900Hz，迹线抖动情况如图1.9所示。图1.9接入10km延时光纤后不同频率下迹线抖动情况：（a）66Hz；（b）480Hz；（c）1000Hz；（d）4000Hz；（e）6000Hz；（f）7900Hz对图1.9中各频率下的迹线抖动情况进行取值，得到了如表1.2所示的延时光纤20km时不同频率下的迹线抖动范围。表1.2延时光纤20km时不同频率下迹线抖动范围信号发生器频率无振动66Hz480Hz1kHz4kHz6kHz7.9kHz迹线抖动范围800~12001000~2000600~2700500~2700600~2800600~2700600~2700由此可知，延时光纤长度为20km时，系统在66Hz7.9kHz的频率范围内迹线抖动范围较无振动时明显变宽，即系统的频率响应范围为66Hz~7.9kHz，通过施加不同频率的波形图与无振动时的波形图迹线抖动范围进行对比，可以发现：系统对该范围内各频率的信号响应很灵敏。对比延时光纤10km和20km时系统的频率响应情况发现：增加延时光纤的长度可以明显提升系统的低频响应的灵敏度，同时对系统的频率响应范围有明显的扩展作用。为进一步改善系统的频率响应情况，在延时光纤为20km时将干涉光路放入如图1.10（a）所示的隔振箱，隔振箱内部四周及底部用隔音棉进行贴附，降低外界噪声对干涉仪的影响。再次进行振动测试，系统可响应的最低频率为39Hz，测试结果如图1.10（b）、（c）所示，最高响应频率保持不变。图1.10频率响应情况的进一步改善从上图可以得知，通过将干涉光路放入隔振箱，可以一定程度上改善频率响应情况，尤其是降低低频噪声信号。系统的频率响应范围从放入前的66Hz~7.9kHz拓宽为放入后的39Hz~7.9kHz。1.3本章小结本章对基于Φ-OTDR的宽频域长距离光纤传感器中两个主要性能指标：探测距离、测频范围进行了实验研究。通过在光路中加入EDFA进行光功率放大并借助滤波器保证光信号质量，在EDFA的泵浦电流为69mA，即光功率