题目：周界安全防范用MZ型光纤扰动传感器理论与技术

安全防范是MZ型光纤传感器的重要应用领域之一。分析MZ型光纤传感器传感光路，分析相位载波调制解调基本方案，研究提高解调性能的优化技术，设计实时全数字相位载波解调系统，是研制应用于安全防范系统的MZ型光纤扰动传感器的重要内容。本论文以光纤传感理论、微弱信号检测理论、自动控制理论和数字信号处理理论为基础，以MZ型光纤扰动传感器相位载波调制解调技术研究为主线，按照理论分析、方案设计、实验研究的顺序，对全数字相位载波调制解调技术进行了深入的分析和研究。对MZ型光纤传感器进行光波随机偏振分析，提出变采样率的全数字相位载波解调技术，提出相位载波解调系统的载波相位超前技术和偏振分集检测后自动增益控制技术，设计并实现实时全数字相位载波调制解调系统，研制基于MZ型光纤扰动传感器的光纤周界安全防范系统样机，进行野外环境下的扰动探测实验，获取翻越周界围栏行为所产生扰动的时频特征，验证了所设计全光纤安全防范系统的有效性。论文主要开展了以下研究：一、MZ型光纤扰动传感器的光波随机偏振分析：研究MZ型光纤传感器的光路方案，分析光波偏振态随机变化对MZ型光纤传感器干涉输出的作用，推导了MZ型光纤扰动传感器方案中单模光纤双折射引起的干涉光束随机偏振态与干涉输出幅值及相位关系的理论表达式，阐明双MZ型光纤扰动传感器方案中时间差扰动定位方法失效的机理，总结MZ型光纤传感器的多种抗偏振衰落技术和抗相位漂移技术，为MZ型光纤扰动传感器的相位载波调制解调技术研究提供理论依据。二、变采样率全数字相位载波调制解调技术研究：研究MZ型光纤传感器采用的全数字相位载波调制解调技术，分析相位载波调制解调各环节的信号频率范围，提出在混频相乘和低通滤波后进行降低采样率处理的变采样率全数字相位载波解调方案，减少实时数字信号处理的运算量，提高系统解调带宽和动态范围，设计基于FPGA和DSP的全数字解调系统，实现高采样频率下的实时全数字相位载波解调。三、相位载波解调系统的载波相位超前技术研究：研究相位载波解调系统的载波生成技术，总结相位载波调制解调系统对载波的要求，分析载波延迟对相位载波解调输出的作用，实际测试全数字相位载波调制解调系统各环节的延迟时间，提出相位超前的载波生成方案，抵消系统固有的载波延迟，消除载波延迟导致的解调输出幅值衰减，优化实时全数字相位载波调制解调系统。四、相位载波解调系统的偏振分集检测后自动增益控制技术研究：分析偏振衰落对相位载波解调输出的影响，分析偏振分集检测的作用及其信号处理方案的优缺点，提出了采用3偏振分集检测器各通道干涉项幅值之和对各通道相位载波解调输出之和进行幅值补偿的自动增益控制方案，并建立系统仿真模型进行数值仿真验证，消除了偏振衰落导致的解调输出幅值衰减，为相位载波解调系统的抗偏振衰落提供新的途径。五、光纤周界安全防范系统实验研究：设计基于MZ型光纤扰动传感器的光纤周界安全防范系统样机，进行野外环境下的扰动探测实验，验证光纤安全防范系统的有效性，采集模拟越境者翻越周界围栏行为所产生的扰动，分析并获取典型扰动的时间频率特征，为光纤安全防范系统中扰动自动识别算法的开发提供了实验数据基础。