高性能长距离相敏光时域反射系统研究及安防应用

作     者：彭正谱 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：饶云江

授予年度：2014年

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 0702[理学-物理学] 

主      题：相位敏感光时域反射仪 外差检测 拉曼放大 通信协议 安防监测 

摘      要：相位敏感光时域反射仪(Φ-OTDR)不仅具有抗电磁干扰、抗腐蚀、长距离分布式测量等优点,还拥有多点同时检测、灵敏度高等重要特征。这决定了它在输油管道、机场周界、国境边防等长距离安防监测方面具有广阔的应用前景。为了进一步提高Φ-OTDR系统性能以及将其推广到实际中去,本文针对Φ-OTDR的理论实验研究和工程应用两个方面,主要完成以下工作:(1)从瑞利后向散射原理出发研究Φ-OTDR的传感机理,提出系统关键性指标:传感距离、空间分辨率、响应频率和信噪比,并分析它们的影响因素;(2)针对单纯使用拉曼放大或外差检测提高Φ-OTDR系统性能的局限性,本文提出了综合使用外差检测和拉曼放大的方案,利用外差检测提高背向瑞利散射光的转换增益和信噪比,同时利用拉曼放大补偿瑞利背向散射光与脉冲光的传输损耗,通过优化入纤脉冲光和拉曼泵浦光功率,尽可能降低非线性效应对系统的不良影响,实现了一种高性能的Φ-OTDR系统,其传感距离达到了103km,为迄今报道的最长距离,空间分辨率15.7m,信噪比可达7.89dB,并且在管道凿击实验中有良好的分辨效果;(3)基于Φ-OTDR的振动传感系统在安防领域的应用可分为三层:Φ-OTDR硬件系统作为传感层;网络层为TCP/IP、RS-232、用户自定义通信协议等;应用层含有报警服务等。在网络层,本文设计了两种通信协议为应用层提供服务:结构体形式和数据帧形式,它们的底层传输协议可以为TCP或者RS-232等。应用软件模块化的思想,利用MFC框架和流式套接字的Socket API,编程实现了相应的通信模块,这使得基于Φ-OTDR的安防监测系统具备了报警信息发送、实时数据传输等通信功能;(4)针对安防应用设计了一种Φ-OTDR监测系统与音频广播、视频摄像头联动的集成应用方案。通过对传感光缆沿线进行分区以及映射形成防区,当有入侵发生时,报警防区号通过网络模块发送给报警中心,联动防区关联的视频摄像头自动旋转抓拍当前画面,与此同时对应分区的音频广播(警号)也会发生告警声,这样形成一套快速响应的智能化应用系统。在工程应用早期阶段,本文采用协议转换器接受Φ-OTDR传感设备发过来的报警信号,点亮对应防区的指示灯。输油管道挖掘测试表明该系统具备分区映射、本地报警及联网通信的功能。