论文摘要：光纤分布式扰动传感器光路器件导致定位误差及补偿研究

光纤分布式扰动传感器在周界安防、油气管线预警监测以及通信线路监测等领域具有重要应用。目前，我国工程实现的监测距离被定位精度限制在60 km以内。突破长距离应用定位精度的技术瓶颈，需要研究传感器光路器件导致定位误差的机理，在此基础上，提出有效的定位误差补偿方法。本文以突破MZ光纤分布式扰动传感器长距离应用定位精度瓶颈为目标，遵循理论研究、数学建模、数值仿真研究和实验验证的研究思路，以光路器件对定位精度的影响为主线，深入研究了光路关键有源器件（激光光源）和关键无源器件（长距离光纤）导致定位误差的机理，提出了相应的定位误差补偿方法，完成了实验验证。论文主要开展了以下研究：一、MZ光纤分布式扰动传感器系统光路信号和噪声数学建模。将系统光路信号与噪声光波的频率、光强、相位以及相干度等物理量定义为时间（时延）和空间（光纤长度）变量，建立了系统光路信号和噪声模型，从光路信号和噪声两个方面分析和描述了信号光波、信号光波中的噪声项以及噪声光波的物理参量与扰动位置之间的理论关系，通过该模型，可以进一步研究光路器件导致定位误差的机理。二、窄线宽激光光源导致定位误差机理研究。理论分析了激光光源的光学噪声特性、光学噪声之间以及噪声与线宽之间的相关性，建立了描述窄线宽激光光源不理想特性导致的光学噪声和线宽展宽的激光光源输出特性模型，将该模型代入系统光路信号和噪声模型，通过数值仿真研究与实验验证，得到了频率噪声是导致定位误差的关键因素；得到了频率噪声导致系统定位误差的机理；建立了频率噪声（线宽）与系统定位误差之间的理论关系。三、长距离传感和传导光纤导致定位误差机理研究。理论分析了瑞利和受激布里渊散射导致的散射光波之间、散射光波与信号光波之间的杂波、寄生干涉以及散射光波的强度噪声等多种影响机理，建立了长距离光纤散射模型，描述了长距离光纤中瑞利散射和受激布里渊散射发生的条件、散射光波的分布及其导致的寄生干涉、杂波干涉效应和强度噪声影响。将长距离光纤散射模型代入系统光路信号和噪声模型，通过数值仿真研究与实验验证，得到传感光纤中逆时针方向一阶瑞利散射和受激布里渊散射是长距离光纤导致定位误差的两个关键因素；得到了长距离光纤中瑞利和受激布里渊散射导致定位误差的机理；建立了光纤长度与定位误差之间的非线性理论关系。四、基于参考光路的光路器件导致定位误差补偿方法研究。基于受激布里渊散射产生的Stokes光波的部分相干性及其强度噪声影响机理，在增加MZ干涉仪臂长差抑制Stokes光波相干性的基础上，提出了通过参考光路将干涉项和强度噪声项分离，从而实现了对长距离传感光纤受激布里渊散射导致定位误差的补偿。通过数值仿真和实验研究验证了定位误差补偿方法的有效性，在实验中将75 km监测距离的定位误差减小约两个数量级。

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