单芯分布式光纤传感定位技术研究
摘 要20世纪70年代光纤通信技术随着研究人员对光纤理论研究的深入而快速发展起来。随着光纤通信技术的快速发展，光纤传感技术也飞速发展起来。其中，分布式光纤传感技术以其可以准确地测出光纤沿线上任一点的信息，而无需构成回路的显著优势得到人们的重视。本文是基于干涉型分布式光纤传感器的工作原理，针对传统的定位方法存在“伪陷波点”的弊端，研究出一种能够消除“伪陷波点”干扰的算法，从而实现快速准确的对扰动点进行定位。本文首先介绍了课题的背景和意义，重点介绍了光纤传感器；然后，本文介绍了基于干涉型的分布式光纤传感系统的定位理论，在本章中，本文是以M-Z干涉仪的定位原理为例来展开的；接着，本文详细介绍了分布式光纤传感定位的算法以及实现该算法的系统结构，这是本文的核心和关键；最后，本文使用LabVIEW实现了该定位算法，实现了对扰动点的定位，详细说明了实验的结果并对其进行了分析。本文的研究可以实现对扰动点的精确定位。在实际工程中，可以将传感光纤铺设在石油、天然气管道内或者嵌入电信网等网络线中实现对其的监测，当其出现故障时能够快速对故障位置进行定位。
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第一章 绪论 1
1.1课题背景及意 1
1.2光纤传感器简介 2
1.3光纤传感器研究的国内外现状 3
1.4课题的主要内容 5
第二章 分布式光纤传感系统定位原理 6
2.1分布式光纤传感技术 6
2.2光纤干涉仪的工作原理 7
2.2.1 MachZehnder和Michelson光纤干涉仪 7
2.2.2 Sagnac光纤干涉仪 8
2.2.3 FabryPerot光纤干涉仪 9
2.3 MZ光纤干涉仪的定位原理 10
第三章 分布式光纤传感器的系统结构和定位算法 12
3.1系统结构 12
3.2定位算法 13
3.3系统中的光器件简介 17
3.3.1 超辐射发光二极管 17
3.3.2 光纤耦合器 17
3.3.3 光纤隔离器和环形器 18
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/> 3.3.4 光电探测器 19
2.4.5 波分复用器 20
第四章 分布式光纤传感器的实验研究 21
4.1 引言 21
4.2 数据1实验结果及分析 22
4.2.1实验结果 22
4.2.2实验结果的比较 24
4.3 数据2的实验结果及分析 25
4.3.1实验结果 25
4.3.2实验结果的比较 27
第五章 结论 28
5.1本文完成的主要任务 28
5.2 研究展望 29
参考文献 30
致 谢 34
附 录 35
第一章 绪论
1.1课题背景及意义
随着社会的快速发展，人们对于电信网、石油天然气管道等基础设施的安全性的要求越来越高。如果基础设施遭到破坏，会对人们的生活造成很大的影响，甚至威胁人们的人身和财产安全。但是这些基础设施遭到来着不同方面的威胁，其一：自然环境方面的威胁，如地震、狂风、暴雨等会对基础设施造成严重的破坏，这种破坏往往范围大，面积广，容易被发现；其二，随着科学技术的发展，犯罪分子的犯罪手段越来越先进，破坏也越来越严重，这种人为的破坏虽然没有像自然环境破坏那么大的破坏范围，但其危害往往超过自然环境的破坏，而且很难发现。然而，我国对于这些基础设施的监测水平还不够先进，主要是依靠检测基础设施自身的一些参数、人工检查以及附近村民的报告等方式。由于这些方式反应时间长，实时性非常差，而且只能在发生事故之后被动的报警，不能主动的预防事故的产生，所以即使采用了这些方法，但还是会给人们的人身财产安全造成较大的威胁。此外，在对较长距离的电信网进行监测时，会受到沿线电磁波的干扰，这使得完全依靠电信号来进行监测的难度系数增大，几乎不可能完成。因此，需要一种分布式传感监测系统来完成对这类基础设施的监测。
20世纪70年代光纤通信技术随着研究人员对光纤理论研究的深入而快速发展起来。随着光纤通信技术的快速发展，光纤传感技术也飞速发展起来。光纤传感技术是一种用光波作为载体、光纤作为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。光纤传感器理论一被提出就立刻得到研究人员的广泛关注，美国是最早开始研究光纤传感器的国家。紧随其后，英国、法国、德国、意大利和瑞士也相继开始了光纤传感器的研究。我国是从20世纪70年代末开始对光纤传感技术进行研究，至今已经有超过100个研究单位正在进行光纤传感技术方面的研究，并且在光纤温度传感器、压力计等领域取得了巨大的成果，其中许多研究成果已经投入诗人，具有非常高的使用价值，有些已经达到了世界先进水平。目前，在桥梁和路面健康、隧道围岩、大坝的混凝土结构等方面的监测，分布式光纤都已经投入了使用，并且取得了令人满意的效果。
1.2 光纤传感器简介
在人们的日常生活中，光纤传感器的使用越来越广泛。目前，传感器都变得越来越灵敏，而且它们的适应性变得越来越好、精确度越来越高、智能化程度也越来越高。其中，光纤传感器凭借着其自身的独特优势使得人们对它的研究不断深入。光纤具有很多的优势：第一，它能够很好的抵抗原子辐射和电磁信号的干扰，很好的解决了传统电传感器最难解决的问题；第二，光纤具有纤径很细、质地很软、重量很轻等机械性能；第三，光纤具有较好地绝缘性和无感应性等电气性能；第四，光纤具有防水、抗高温、不易被腐蚀等化学性能，这使得光纤可以在恶劣的环境下，如高温、严寒、高原、核辐射等地区，发挥巨大的作用，帮助人们采集到依靠人类自身难以采集的信息。光纤传感器凭借光纤的这些优势，使得它比传统电传感器具有的更大的使用范围。
一、 光纤传感器的特点
光纤传感器可以用来采集不同的物理信息（电场、磁场、温度、声音等）；
2、光纤传感器能够与光纤遥测技术相容。
3、光纤传感器能够在高温、高压、腐蚀等恶劣的自然环境中正常工作；
4、光纤传感器具有易塑性，可以把它制成任何人们希望的形状。
二、光纤传感器的应用
在国民经济、国防、以及人们的日常生活中，光纤传感器都得到非常广泛的应用，特别是在非常恶劣的自然环境下，光纤传感器凭借自身的独特优势，解决了困扰人类很久的问题，提高了人们的生活质量，具有很大的发展前景。它的应用主要表现在检测位移、速度、力、温度以及电场磁场等物理量。
例如：在电力系统中，监测人员经常需要监测系统的温度、电流等参数来判断系统是否出现故障。但是，传统的电传感器容易受到周围电磁场的干扰，所以这类传感器不适合在电力系统等环境下使用，而光纤传感器能够很好的抵抗电磁场的干扰，所以它能够在这种环境下发挥巨大的作用。分布式光纤温度传感器是
一种新型的温度传感器，可以用来实时的监测空间温度场分布，它不但具有一般的温度传感器能够测量温度的功能，还能够有效的监测光纤上每点的温度情况。因此，分布式光纤温度传感器可以应用于需要对温度进行分布式监测的场合。
光纤传感器凭借其自身的优越性导致其迅速发展，在当今社会的各个领域基本上都会用到光纤传感器。它的应用现状为：
由于光纤传感技术的发展非常迅速，光纤传感的理论逐步成熟，光纤传感器目前已经逐步进入了实用化的阶段，光纤传感器正在渐渐成为传感器领域的又一个重要的组成部分。
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第一章 绪论 1
1.1课题背景及意 1
1.2光纤传感器简介 2
1.3光纤传感器研究的国内外现状 3
1.4课题的主要内容 5
第二章 分布式光纤传感系统定位原理 6
2.1分布式光纤传感技术 6
2.2光纤干涉仪的工作原理 7
2.2.1 MachZehnder和Michelson光纤干涉仪 7
2.2.2 Sagnac光纤干涉仪 8
2.2.3 FabryPerot光纤干涉仪 9
2.3 MZ光纤干涉仪的定位原理 10
第三章 分布式光纤传感器的系统结构和定位算法 12
3.1系统结构 12
3.2定位算法 13
3.3系统中的光器件简介 17
3.3.1 超辐射发光二极管 17
3.3.2 光纤耦合器 17
3.3.3 光纤隔离器和环形器 18
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
/> 3.3.4 光电探测器 19
2.4.5 波分复用器 20
第四章 分布式光纤传感器的实验研究 21
4.1 引言 21
4.2 数据1实验结果及分析 22
4.2.1实验结果 22
4.2.2实验结果的比较 24
4.3 数据2的实验结果及分析 25
4.3.1实验结果 25
4.3.2实验结果的比较 27
第五章 结论 28
5.1本文完成的主要任务 28
5.2 研究展望 29
参考文献 30
致 谢 34
附 录 35
第一章 绪论
1.1课题背景及意义
随着社会的快速发展，人们对于电信网、石油天然气管道等基础设施的安全性的要求越来越高。如果基础设施遭到破坏，会对人们的生活造成很大的影响，甚至威胁人们的人身和财产安全。但是这些基础设施遭到来着不同方面的威胁，其一：自然环境方面的威胁，如地震、狂风、暴雨等会对基础设施造成严重的破坏，这种破坏往往范围大，面积广，容易被发现；其二，随着科学技术的发展，犯罪分子的犯罪手段越来越先进，破坏也越来越严重，这种人为的破坏虽然没有像自然环境破坏那么大的破坏范围，但其危害往往超过自然环境的破坏，而且很难发现。然而，我国对于这些基础设施的监测水平还不够先进，主要是依靠检测基础设施自身的一些参数、人工检查以及附近村民的报告等方式。由于这些方式反应时间长，实时性非常差，而且只能在发生事故之后被动的报警，不能主动的预防事故的产生，所以即使采用了这些方法，但还是会给人们的人身财产安全造成较大的威胁。此外，在对较长距离的电信网进行监测时，会受到沿线电磁波的干扰，这使得完全依靠电信号来进行监测的难度系数增大，几乎不可能完成。因此，需要一种分布式传感监测系统来完成对这类基础设施的监测。
20世纪70年代光纤通信技术随着研究人员对光纤理论研究的深入而快速发展起来。随着光纤通信技术的快速发展，光纤传感技术也飞速发展起来。光纤传感技术是一种用光波作为载体、光纤作为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。光纤传感器理论一被提出就立刻得到研究人员的广泛关注，美国是最早开始研究光纤传感器的国家。紧随其后，英国、法国、德国、意大利和瑞士也相继开始了光纤传感器的研究。我国是从20世纪70年代末开始对光纤传感技术进行研究，至今已经有超过100个研究单位正在进行光纤传感技术方面的研究，并且在光纤温度传感器、压力计等领域取得了巨大的成果，其中许多研究成果已经投入诗人，具有非常高的使用价值，有些已经达到了世界先进水平。目前，在桥梁和路面健康、隧道围岩、大坝的混凝土结构等方面的监测，分布式光纤都已经投入了使用，并且取得了令人满意的效果。
1.2 光纤传感器简介
在人们的日常生活中，光纤传感器的使用越来越广泛。目前，传感器都变得越来越灵敏，而且它们的适应性变得越来越好、精确度越来越高、智能化程度也越来越高。其中，光纤传感器凭借着其自身的独特优势使得人们对它的研究不断深入。光纤具有很多的优势：第一，它能够很好的抵抗原子辐射和电磁信号的干扰，很好的解决了传统电传感器最难解决的问题；第二，光纤具有纤径很细、质地很软、重量很轻等机械性能；第三，光纤具有较好地绝缘性和无感应性等电气性能；第四，光纤具有防水、抗高温、不易被腐蚀等化学性能，这使得光纤可以在恶劣的环境下，如高温、严寒、高原、核辐射等地区，发挥巨大的作用，帮助人们采集到依靠人类自身难以采集的信息。光纤传感器凭借光纤的这些优势，使得它比传统电传感器具有的更大的使用范围。
一、 光纤传感器的特点
光纤传感器可以用来采集不同的物理信息（电场、磁场、温度、声音等）；
2、光纤传感器能够与光纤遥测技术相容。
3、光纤传感器能够在高温、高压、腐蚀等恶劣的自然环境中正常工作；
4、光纤传感器具有易塑性，可以把它制成任何人们希望的形状。
二、光纤传感器的应用
在国民经济、国防、以及人们的日常生活中，光纤传感器都得到非常广泛的应用，特别是在非常恶劣的自然环境下，光纤传感器凭借自身的独特优势，解决了困扰人类很久的问题，提高了人们的生活质量，具有很大的发展前景。它的应用主要表现在检测位移、速度、力、温度以及电场磁场等物理量。
例如：在电力系统中，监测人员经常需要监测系统的温度、电流等参数来判断系统是否出现故障。但是，传统的电传感器容易受到周围电磁场的干扰，所以这类传感器不适合在电力系统等环境下使用，而光纤传感器能够很好的抵抗电磁场的干扰，所以它能够在这种环境下发挥巨大的作用。分布式光纤温度传感器是
一种新型的温度传感器，可以用来实时的监测空间温度场分布，它不但具有一般的温度传感器能够测量温度的功能，还能够有效的监测光纤上每点的温度情况。因此，分布式光纤温度传感器可以应用于需要对温度进行分布式监测的场合。
光纤传感器凭借其自身的优越性导致其迅速发展，在当今社会的各个领域基本上都会用到光纤传感器。它的应用现状为：
由于光纤传感技术的发展非常迅速，光纤传感的理论逐步成熟，光纤传感器目前已经逐步进入了实用化的阶段，光纤传感器正在渐渐成为传感器领域的又一个重要的组成部分。
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