【摘要】：布里淵光時域反射儀(BOTDR)可實現(xiàn)全分布式溫度和應變傳感,在橋梁隧道、油氣管線、大壩邊坡等大型基礎設施結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領域具有顯著優(yōu)勢。然而,BOTDR檢測信號為強度極弱的自發(fā)布里淵散射,且其傳感光纜多鋪設于光纖損耗較大的野外惡劣環(huán)境,其存在信噪比低的缺陷。增加探測脈沖寬度和測量平均次數(shù)可提高信噪比,但會降低空間分辨率和系統(tǒng)測量速度。因此,如何有效提高BOTDR信噪比,同時兼顧空間分辨率和測量速度,是BOTDR系統(tǒng)性能提升需要解決的重要科學問題。針對上述問題,本論文在分析BOTDR性能提升影響因素的基礎上,提出了若干關鍵技術(shù)以提升BOTDR的信噪比、穩(wěn)定性及測量速度。同時,基于掃頻式BOTDR(FS-BOTDR)原理研發(fā)了集成化工程樣機并進行了溫度和應變傳感功能驗證。主要研究內(nèi)容和研究結(jié)果如下:(1)通過總結(jié)BOTDR性能提升及應用研究進展,指出了BOTDR性能提升及應用面臨的挑戰(zhàn)和問題。通過模擬仿真和實驗驗證相結(jié)合,分析了BOTDR中關鍵性能參數(shù)影響因素,為后續(xù)提升BOTDR性能提供前期理論基礎和實驗指導。(2)通過分析掃頻測量過程中布里淵增益譜(BGS)的展寬效應及相干探測結(jié)構(gòu)中光源線寬對信噪比的影響規(guī)律,闡明了布里淵頻移(BFS)測量精度與光源線寬的關系,進而提出基于光源線寬優(yōu)化的FS-BOTDR測量精度改善方法。研究表明,在一定范圍內(nèi),FS-BOTDR測量精度隨光源線寬變窄而提高;當線寬過窄時相干瑞利噪聲增加,BFS測量精度隨光源線寬變窄而降低。(3)提出一種基于SOA增益開關調(diào)制的FS-BOTDR方案�；赟OA增益微分方程,通過數(shù)值模擬研究了增益開關的脈沖光調(diào)制機理,證明了其可產(chǎn)生高消光比且穩(wěn)定的探測光脈沖,進而可提高BOTDR信噪比和測量穩(wěn)定性。研究表明,相比于傳統(tǒng)的電光調(diào)制器,采用增益開關可使相同測量條件下的BFS均方根誤差由2.49 MHz減小至0.78 MHz,有效探測距離由10.75 km提升至27.5 km,系統(tǒng)測量穩(wěn)定性顯著提高。此外,以穩(wěn)定高消光脈沖調(diào)制為基礎,通過研究長距離BOTDR中的非線性效應,提出了基于透射光譜分析的探測光功率優(yōu)化方法,進而確定了1 m空間分辨率、27.5 km傳感距離下的最佳探測脈沖峰值功率為300 mW。(4)提出一種基于隨機序列編碼探測的FS-BOTDR方案。利用物理真隨機數(shù)調(diào)制增益開關,產(chǎn)生隨機序列編碼光脈沖并注入傳感光纖。通過后向散射信號與對應探測光脈沖序列的互相關運算,可還原單脈沖響應,進而實現(xiàn)系統(tǒng)解碼。理論模擬和實驗研究一致表明,采用隨機序列編碼探測可在不改變空間分辨率的前提下提升FS-BOTDR的信噪比。(5)通過分析微波外差掃頻BGS測量原理,闡明了FS-BOTDR中的信號流時域演化基本特征,進而提出一種基于快速響應對數(shù)檢波的時域信號包絡實時提取方案,以替代傳統(tǒng)包絡提取算法,在降低采樣帶寬和采樣率需求的同時提高了解調(diào)速度。研究表明,采用該對數(shù)檢波方案,在測量精度基本不變的前提下,實現(xiàn)1m空間分辨率所需采樣帶寬由200 MHz降低至50 MHz。(6)針對短時傅里葉變換型BOTDR(STFT-BOTDR),設計了一種STFT并行運算機制,結(jié)合數(shù)字濾波器和窗函數(shù)優(yōu)化,實現(xiàn)BGS快速解調(diào)。研究表明,采用Butterworth濾波器和Hanning窗函數(shù)可獲得最佳BFS解調(diào)精度。與串行運算機制相比,采用STFT并行運算機制可在保證BFS解調(diào)精度的前提下,將數(shù)據(jù)處理速度提升約25倍。
【圖文】：

BOFDA 利用相向傳輸兩束連續(xù)光的受激布里淵散射來實現(xiàn)布里淵頻移（BrillouinFrequency Shift, BFS）測量，位置信息則依靠求取光纖基帶傳輸函數(shù)來實現(xiàn)，基本結(jié)構(gòu)如圖 1-1 所示。探測光和泵浦光均為窄線寬連續(xù)光，光頻率差約為被測光纖的布里淵頻移。其中，對探測光進行角頻率為 ωm的幅度調(diào)制，采用光電探測器記錄每個調(diào)制頻率ωm下的探測光和泵浦光強度，并送入矢量網(wǎng)絡分析儀。通過計算基帶傳輸函數(shù)，并基于傅里葉逆變換求取傳感光纖單位沖擊響應函數(shù)，最終獲得光纖沿線應變和溫度分布。

圖 1-1 BOFDA 基本結(jié)構(gòu)示意圖[16]Fig.1-1 Structure diagram of a basic BOFDABOCDA 的基本結(jié)構(gòu)如圖 1-2 所示。激光器發(fā)出經(jīng)正弦調(diào)制的連續(xù)光（頻率為 fm），通過耦合器分成泵浦光和探測光。其中，探測光經(jīng)單邊帶調(diào)制器（Single SidebandModulator, SSBM）調(diào)制后注入傳感光纖另一端（調(diào)制頻率為 v），經(jīng) EOM 斬波的泵浦光和經(jīng)受激布里淵放大的探測光同步送入鎖相放大器進行相關檢測�；谏鲜鲅b置，通過改變頻率 v 和頻率 fm可分別實現(xiàn)布里淵增益譜（Brillouin Gain Spectrum, BGS）掃描和相關峰定位，，進而可得到光纖沿程的 BFS 分布，最終實現(xiàn)溫度或應變分布式傳感。
【學位授予單位】：太原理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TP212

【參考文獻】

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本文編號：2665634