分布式光纤声波传感器是将光纤作为敏感传感元件和信号传输介质来获取动态应变信息的传感系统,它可以实现对动态应变的长距离、分布式、多点的实时定量检测,具有结构简单、传感距离长、检测精度高、环境适应性强等优点。基于相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)的分布式光纤声波传感系统一直也是近年来的研究热点,为此,从传感系统的探测结构与相位解调方式两个关键技术出发,重点介绍了Φ-OTDR型分布式光纤声波传感器的研究进展,并总结分析了几种方法的优缺点,对在实际应用中选择合适的检测系统具有重要的指导意义。

给出了光纤电流传感器的数学模型,推导出了传感器测量准确度的数学表达式,并对系统的主要特征参数进行了分析。提出了一种在线监测方法,将环路增益值解调并实时输出,作为传感器系统的一个故障监测点。然后在此基础上,提出了环路增益稳定控制技术,使环路增益能够实现自动调整,消除了系统在长期运行时因环路增益变化对精度的影响。实验结果表明:改变前置放大器的放大倍数,在线监测的环路增益值、比值误差和相位误差均随之改变,实验结果与仿真结果一致;引入环路增益稳定控制技术后,改变前置放大器的放大倍数,在线监测的环路增益基本保持不变,且传感器的比值误差和相位误差波动也在准确度范围之内,验证了在线监测方法和环路增益稳定控制技术的有效性。

分析了宽谱光源的平均波长对标度因数的影响,初步建立了开环光纤陀螺和闭环光纤陀螺标度因数的系统模型,详细讨论了平均波长和光纤陀螺第二闭环影响标度因数的机理,并进行了相关的实验,实验结果与理论分析结果吻合,验证了该系统模型的正确性。

针对相位敏感光时域反射计(ΦOTDR)分布式光纤扰动传感系统中激光器的频率漂移严重影响系统定位准确度的问题, 提出了一种新的基于频谱分析的定位算法。该算法将采集的散射曲线数据进行傅里叶变换, 然后选择特征频率区间进行功率谱累加得出定位结果, 可以有效抑制激光器频漂引起的定位误差。最后搭建了长度为8km的样机进行定位算法的测试, 系统的信噪比得到了改善, 定位准确性提高, 验证了算法的有效性。

针对相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)分布式光纤扰动传感系统严重的误警问题, 在Φ-OTDR多路监测系统方案的基础上, 提出了将改进的D-S证据理论应用于Φ-OTDR三路监测系统中以减少误警率。利用改进的D-S证据理论信息融合算法对每路输出数据进行融合, 然后将融合结果与报警阈值相比较, 判断是否发生报警。实验测试发现: 基于改进的D-S证据理论的Φ-OTDR三路监测系统不仅在三路监测方案中能够正确判断扰动信号, 还使得漏警率由3%降至1%, 72h内误警率由3.3%降至0%, 提高了系统的报警性能。

基于相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)的分布式光纤扰动传感系统一直是扰动监测方面的研究热点。通过对比与传统光时域反射计(OTDR)的区别, 介绍了Φ-OTDR传感系统的结构和工作原理。根据其发展动态, 以提高传感距离和定位精度为目的, 从Φ-OTDR系统结构的改进出发, 分别论述了传统式、拉曼式、布里渊式和级联式四种典型的Φ-OTDR扰动传感系统的工作原理及研究现状, 总结了各自的优缺点, 为在实际应用中选择合适的系统结构提供了方向, 最后展望了基于Φ-OTDR的分布式光纤扰动传感系统的应用前景。

为了实现快速且高精度的光纤陀螺(FOG)本征频率跟踪测量, 提出了一种基于锯齿波调制的本征频率跟踪方法。根据基于偶数倍本征频率锯齿波调制的光纤陀螺本征频率测量理论, 对相位调制器施加接近偶数倍本征频率的锯齿波调制信号,然后对光波进行相位调制,解调得出的误差信号强度反映锯齿波调制频率偏离偶数倍本征频率的程度。根据误差信号的强度调节锯齿波调制信号的频率, 使误差信号为零, 此时锯齿波信号的频率等于本征频率的偶数倍且方波偏置调制准确地处于本征频率上。实验结果表明, 该方法可以实现光纤陀螺本征频率的跟踪。与传统测量方法相比, 该方法具有快速、高精度等优点, 测量的精度优于1 Hz。

为了解决电解领域大电流测量难度大的问题, 在传统光纤电流互感器(FOCT)的基础上提出一种新型的便携式光纤电流互感器(P-FOCT)。由于在P-FOCT的设计和安装过程中, 柔性传感头光路不闭合和导体偏心会引起法拉第相移误差, 进而影响电流计精度, 因此对传感头闭合误差和导体偏心位置对P-FOCT的影响进行了理论分析和实验测试。结果显示, 法拉第相移相对误差随传感头不闭合角度线性增加,随导体到非闭合长度中心的距离增大而减小。另外, 增加传感头匝数能减小P-FOCT的法拉第相移误差, 提高其测量精度。

建立了光纤电流互感器的离散动态模型，理论分析了互感器比值误差及相位误差与系统环路增益之间的关系，确定了环路增益漂移是导致互感器长期运行精度劣化的主要原因之一。提出了一种环路增益在线监测方法，能实时检测环路增益的变化，监测值可以作为互感器长期运行的故障监测点之一。在此基础上实验验证了模型的正确性，结果表明：在保证静态测试精度的条件下，系统环路增益取值越大，环路增益波动对互感器比值误差和相位误差的影响越小。系统环路增益取值为0.05时，为保证长期运行互感器测试准确度不超过误差限值要求，环路增益波动应不超过10%。

基于现代化战争**和惯导系统对光纤陀螺快启动的强烈需求, 对光纤陀螺启动最慢的核心器件光源超辐射发光二极管(SLD)启动时波长的变化机理进行了研究。主要包括对SLD波长随驱动电流和管芯温度的变化规律进行了理论分析和实验验证, 得出了SLD的平均波长随驱动电流的增大而减小, 变化量约为0.15 nm/mA, 随温度线性增加, 变化量大约为0.5 nm/°C; 根据理论分析驱动电流和管芯温度启动时的变化规律建立了SLD启动时波长的变化模型; 通过实验测试得到的驱动电流和管芯温度启动测试结果推导出了SLD启动波长最大变化量达到18 000 ppm; 最后根据分析结果提出实现陀螺快启动的波长补偿方案。