光栅阵列与POTDR融合传感系统的机理与技术研究

偏振光时域反射（POTDR）技术可望实现应力、温度、振动等多参量的全分布式测量。但由于POTDR技术所利用的光纤中瑞利散射光不仅功率很低，且难以区分多种外部参量的影响，其应用受到了很大的限制。本申请提出将光栅阵列与POTDR传感技术相结合，利用传输矩阵和波片模型理论研究其中散射及反射光波的综合物理效应，并结合计算、模拟和实验的手段研究光栅阵列与POTDR融合传感系统中的物理规律，如脉冲宽度、光栅反射率分布、光栅间隔分布对传感系统的影响等，建立光栅阵列与POTDR融合传感机理模型并对融合传感系统的优化展开研究，再进一步研究应力、温度、振动等因素对POTDR中光波及对光栅阵列的综合影响，通过建立多参量交互作用模型，对多参量的交叉敏感补偿和辨识展开研究。以实现长距离、快速、高探测精度的应力、温度和振动传感技术。

按照项目的研究计划，本项目完成了预定的研究任务，成功实现了预期研究目标，取得了较好的研究成果。.从项目开始实施至2015年2月，本项目组在国内外学术期刊、国际会议上发表学术论文12篇(其中SCI论文8篇，EI论文12篇)，出版专著1部（《全分布式光纤传感技术》），申请发明专利4项，获得发明专利授权3项，参加国内外学术会议5人次，做报告2人次。与本课题相关的“连续分布式多参量传感与监测技术”2012年荣获教育部技术发明奖一等奖。培养博士生2名、硕士生6名。.本项目研究了光栅阵列与POTDR 融合的传感系统中光纤及弱反射光栅阵列的穆勒矩阵表示，模拟了弱反射光栅阵列作用下融合传感系统中光信号的变化特点,建立了光栅阵列与POTDR融合的传感系统，利用弱反射光栅阵列与POTDR的融合系统有效实现了对光信号信噪比的增强；利用光栅阵列与OTDR的融合系统实现了损耗事件的分布式测量与关键位置的振动/应变测量。研究了温度、应变和振动等物理量对光纤中双折射的影响及对光栅中心波长、反射率的影响，研究了曝光时间、载氢作用、光栅长度对弱反射光栅成栅性能的影响，制作了三十千米长的集成弱反射光栅阵列传感光纤。研究了多参量交叉敏感问题，利用光栅阵列与瑞利散射实现了弯曲与振动的测量，利用偏振效应与布里渊效应实现了温度/应变与振动的同时测量，利用光栅的双折射效应实现了对横向应力和振动的测量，并提出了一种具有三角形形状透射谱的光纤光栅，可有效消除纵向应变和温度引起的交叉敏感问题。