【摘 要】
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分布式声波传感（DAS）可以用来测量传感光纤周围环境中的许多物理量,相位敏感光时域反射仪（Φ-OTDR）作为DAS的一个主流技术,因其传感距离长、灵敏度高和良好的动态检测能力,一直备受学者关注。近年来,以超弱光纤布拉格光栅（UWFBG）阵列为传感介质的Φ-OTDR,也称为准分布式声波传感（Q-DAS）,相比以单模光纤（SMF）为传感介质的普通Φ-OTDR有更高的灵敏度和信噪比,已经成为光纤传感中颇
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分布式声波传感（DAS）可以用来测量传感光纤周围环境中的许多物理量,相位敏感光时域反射仪（Φ-OTDR）作为DAS的一个主流技术,因其传感距离长、灵敏度高和良好的动态检测能力,一直备受学者关注。近年来,以超弱光纤布拉格光栅（UWFBG）阵列为传感介质的Φ-OTDR,也称为准分布式声波传感（Q-DAS）,相比以单模光纤（SMF）为传感介质的普通Φ-OTDR有更高的灵敏度和信噪比,已经成为光纤传感中颇具前景的技术之一。在Q-DAS系统中,受探测光在光纤中往返时间的限制,系统会表现出频率响应不足的问题。测量速率和传感距离的相互制约,使得Q-DAS在水下超声传感、高压管道泄漏等需要高频传感的领域中受到限制。因此,对准分布式传感系统测量速率的提升研究显得极具意义。目前,对于提升系统测量重复率的研究,仍然存在着频谱利用率不高、调制复杂等局限性。本文提出了一种提升Q-DAS系统测量速率的新方法,利用UWFBG之间的间隔分插复用探测脉冲,增大了系统的测量带宽,进一步提升了系统的测量摆率（SR）,主要工作概述如下:1.介绍了分布式和准分布式声波传感原理,并推导了相位解调型准分布式声波传感的数学模型。首先介绍了光纤中的几种散射;其次详细阐述了基于SMF的Φ-OTDR传感机理;最后介绍了光纤布拉格光栅（FBG）传感原理和弱光栅的复用模型,并且首次推导了相位解调型准分布式传感系统中,外界环境变化与反射信号相位变化之间的线性关系,奠定了本文的研究基础。2.提出了基于间插啁啾脉冲（ICP）的Q-DAS系统测量速率提升技术。首先介绍了ICP方案的原理:向光纤中注入一系列正负啁啾交错的探测脉冲,利用UWFBG之间的间隔间插复用探测脉冲,提升系统测量速率。之后在实验中对比了频分复用（FDM）方案和ICP方案的频谱利用率:ICP方案的频谱利用率是FDM方案的1.5倍。最终,在860米的传感距离中,实现了频响带宽166.7 kHz、应变分辨率1.8pε/（?）的高带宽、高精度传感系统。3.提出了基于全同间插啁啾脉冲（IICP）的Q-DAS系统测量速率/摆率提升技术。首先介绍了系统测量摆率（SR）的概念和意义,分析了FDM方案在提升系统SR方面的局限性:由于FDM方案不同频率信道之间的相位偏置不同,导致相位解卷绕算法有误差,因而不能提升系统的SR。之后详细介绍了IICP方法提升系统SR的原理。最后在实验验证中,通过和FDM方案的对比,突出了IICP方案的优越性:可以准确解调出大应变信号。相较于使用普通单脉冲方案的Q-DAS,基于IICP方案Q-DAS系统,其测量带宽和SR可以同时提升5倍,实现了高频谱利用率、高传感带宽和高SR的Q-DAS系统。本文提出的提升Q-DAS系统测量速率的创新性方法,打破了测量速率与传感距离之间的固有制约,并首次大幅度提升了Q-DAS系统的测量摆率,为相位解调型Q-DAS系统的性能研究开拓了新的方向,为Q-DAS在高频、大应变环境中的应用提供了可能。
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