基于Mach-Zehnder干涉仪分布式扰动传感器的定位方法研究

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分布式光纤扰动传感器具有灵敏度高,可以实现连续分布式传感检测等优势,在石油化工、生物医学、电力系统等各个领域获得了广泛应用。目前国内外针对分布式扰动传感器有多种方案,其中,以基于Mach-Zehnder干涉仪结构为主流技术方案。Mach-Zehnder干涉仪分布式扰动传感器系统可实现传感光纤上任意一点的连续分布式检测,通过传感信号的时延估计获得扰动发生的位置。时延估计方法对Mach-Zehnder干涉仪光纤分布式扰动传感器系统的定位分辨率和定位误差具有重要影响。本文主要研究了Mach-Zehnder干涉仪光纤传感器中的定位方法,文中首先研究了Mach-Zehnder干涉仪分布式扰动传感器的发展现状,分析了其关键技术的研究进展,重点分析了定位方法的研究情况以及存在的问题。介绍了双Mach-Zehnder干涉仪分布式扰动传感器的结构和各个组成部分,研究了相位调制原理,得到出射光波与扰动之间的关系式;研究了利用了两路传感信号间的时延差来估计扰动位置的原理,并推导了扰动位置与时延差之间的关系式。其次研究了互相关定位方法和倒谱定位方法原理,以及在双Mach-Zehnder干涉仪光纤分布式扰动传感系统中的应用。并针对减小传统互相关定位误差,提出了一种基于李萨如图定位方法对传感系统的扰动进行定位。通过对采集的传感信号的李萨如图进行处理,得到李萨如图形中的拟合椭圆,研究了拟合椭圆参数和时延之间的关系。研究结果表明:椭圆长半轴和短半轴随时延呈现出线性的变化关系,椭圆短半轴对时延的变化更为敏感,通过测量拟合椭圆的短半轴可以对传感系统的扰动进行定位。实验结果表明,本文所提出的李萨如图时延估计方法能够取得比互相关更小的定位误差,可以为光纤分布式扰动传感系统的定位方法提供有益的参考。
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