【摘 要】
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在自然界和工业界中,声波携带着丰富的信息,具有重要的利用价值。近年来,由于传感距离长、可分布式探测和灵敏度高等独特优势,基于相敏光时域反射仪（phase sensitive optical time domain reflectometry,Φ-OTDR）的全光纤分布式声波传感器（distributed acoustic sensors,DAS）在地质资源勘探、结构健康安全监测和周界安防等领域得到
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在自然界和工业界中,声波携带着丰富的信息,具有重要的利用价值。近年来,由于传感距离长、可分布式探测和灵敏度高等独特优势,基于相敏光时域反射仪（phase sensitive optical time domain reflectometry,Φ-OTDR）的全光纤分布式声波传感器（distributed acoustic sensors,DAS）在地质资源勘探、结构健康安全监测和周界安防等领域得到了广泛应用。然而,在铁路轨道和油气管道安全监测领域,地区间铁路线与管道线的长度达到了数百公里,现有的DAS系统传感距离无法满足监测需求。因此,拓展光纤分布式声波传感器的传感距离具有重要的科学意义和应用价值。由于DAS传感器的传感距离受限于系统噪声和光纤传输损耗,本文针对性地提出级联声光调制器（acousto-optic modulator,AOM）高消光比脉冲调制和多跨段双向线路光放大等关键技术,有效拓展系统传感距离。论文的主要内容包括:（1）调研了近年来相位敏感型DAS传感器在提高传感距离方面的技术方案,并对每种技术方案的优缺点进行了分析和总结。（2）提出了基于级联AOM的长距离光纤分布式声波传感技术。首先理论分析脉冲光的消光比对传感系统性能的影响;其次采用两个AOM级联的方式调制生成高消光比脉冲光,其消光比超过82 d B,有效抑制了泄露光;最后通过搭建实验系统,实现了单跨段74.6 km的分布式声波探测。（3）提出了基于多跨段中继放大的分布式声波传感距离延伸技术。通过设计双向中继放大模块分别放大正向探测光和后向瑞利散射光,从而补偿传感链路传输损耗;基于Matlab软件平台建立多跨段中继传输模型,数值仿真结果表明此方案的传感距离可达300 km;搭建四段中继放大的实验系统,实现长达246 km的传感距离,且全光纤链路范围的信噪比优于18 dB。
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