光纤分布式二维应力传感系统研究

基于海底电缆分布式安全监测的亟需以及分布式光纤传感技术的独特优势，特别是布里渊散射光对温度和应变同时敏感的特点，对单端普通单模光纤分布式传感系统进行了研究。系统采用独特方法解决目前基于布里渊散射的光纤分布式温度应变传感技术存在的弱信号检测，温度应变解耦，二维应力检测问题。利用光纤中声子不同偏振速度对不同方向力敏感的特性，提出在分布式光纤传感技术中进行二维应力的检测。采用同源外差干涉方法来解调后向散射光信号，从而提高检测精度；采用电方法分辨布里渊信号的频移和强度变化，实现温度和应变的同时测量，并避免了复杂的光路系统及因光器件易受环境温度影响带来的干扰；通过建立电缆组成构件之间的力学传递模型实现海底电缆受力位置大小方向的辨识。将海底光纤复合电缆中的单模光纤作为检测对象，利用单端分布式系统实现对海底电缆电流变化或漏电以及电线受力状态的在线、分布式、实时安全监测，具有重大意义。

本项目基于分布式光纤布里渊散射光对温度和应变同时敏感的特点对单端普通单模光纤分布式二维应力传感系统进行了研究。首先，针对高频微弱布里渊散射光信号，研究并采用了同源外差干涉方法避免了一般干涉对两束光强度相近的要求，简化了测试系统，实现了光纤中后向散射信号的解调并提出了单端光输入的情况下布里渊散射信号增强方法，为后期信号处理奠定了坚实的基础；其次，为消除光源不稳或光路扰动等外界因素影响及降低系统集成成本，采用了电方法来分辨布里渊散射信号的频移和强度变化，进而实现了温度和应变信号的解耦；再次，为实现传感光纤所受横向力和纵向力作用的辨识，建立了光纤所受横/纵应力于布里渊散射横/纵分支频移之间的数学模型，实现了布里渊散射的分布式二维应力检测；最终，建立海底电缆与传感光纤之间的相对位置及应变关系的计算模型，并由分布式二维应力检测数据建立海底电缆的双阈值故障诊断模型。. 基于上述研究内容，采用改进小波变化进行了布里渊信源信号的处理，实现了信源信息的标定并基于此开发了高性能的光纤分布式二维应力传感软件系统，可实时生成报表，保存历史记录，且具备了自动诊断、评估预测、阈值报警等功能，并对此光纤分布式二维应力传感系统进行了实验室及工程级标定试验，为实现该传感系统工程实用奠定了基础。进一步，在本项目研究内容的基础上，对如何使用点式检测元件光纤光栅实现精确的温度/应变测量及损伤位置定标进行了相关拓展研究。研究结果表明本项目研究内容可有效的提高了光纤光栅在较高温度及多维应变测量方面的检测精度,实现复合材料结构及铝合金板结构损伤定位及识别，推动了光纤检测技术的进一步发展。