隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用和普及,分布式光纖傳感技術(shù)受到了廣泛關(guān)注。分布式光纖傳感技術(shù)具有抗輻射、防潮濕、體積小、可實現(xiàn)溫度應(yīng)力測量等優(yōu)勢,目前,眾多軍事機構(gòu)、企業(yè)開始采用分布式光纖傳感器實現(xiàn)環(huán)境信息的精確監(jiān)控或測量。其中,基于受激布里淵散射的光時域分析技術(shù)(Brillouin optical time domain analysis,BOTDA)憑借傳感距離長、測量精度高的優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于石油管道監(jiān)控、建筑結(jié)構(gòu)檢測等應(yīng)用場景中。然而,BOTDA傳感系統(tǒng)也存在測量時間、傳感距離及測量精度無法同時兼容的問題:傳感距離長時,增加信號平均次數(shù)可以獲得足夠的精度,但是會延長系統(tǒng)的測量時間;使用降低掃頻間隔等方法降低測量時間,會對測量精度造成影響。上述不同性能互相制約的問題,為該技術(shù)的推廣帶來極大阻礙,因此,研究提升BOTDA傳感系統(tǒng)性能即測量精度、測量距離、測量時間的方法具有重要的意義。針對上述問題,本文研究了基于受激布里淵散射的BOTDA傳感系統(tǒng),設(shè)計并搭建了24.4km的BOTDA溫度傳感實驗平臺。針對BOTDA系統(tǒng)的布里淵增益譜,本文提出小波-高斯濾波算法對其進行降噪來提高系統(tǒng)的性能;針對布里淵頻移(Brillouin frequency shift,BFS)的提取,本文分別提出使用AdaGrad(Adaptive gradient algorithm)算法以及稀疏約束互相關(guān)卷積法以實現(xiàn)快速、高精度的提取。論文的主要研究工作如下:(1)基于小波-高斯濾波的布里淵增益譜降噪方法研究針對BOTDA傳感系統(tǒng)中的布里淵增益譜(Brillouin scattering spectrum,BGS),本文提出小波-高斯濾波算法對其進行降噪來提高BGS的信噪比。結(jié)果表明,該方法在提升BGS信噪比的同時將BGS的信號強度提高了約2mV,因此,該方法有利于提高BOTDA傳感系統(tǒng)的信噪比與傳感距離。(2)基于AdaGrad算法的布里淵頻移提取方法研究本文提出采用AdaGrad算法對BGS進行布里淵頻移提取,并從初始值賦值依賴性與運算速度研究該方法的性能。結(jié)果表明,與傳統(tǒng)梯度下降方法相比,該方法對初始值的依賴程度更低,收斂速度更快;與LM(Levenberg-Marquard)算法相比,該方法的每組數(shù)據(jù)平均耗時節(jié)省了約0.023s。因此,基于AdaGrad算法的BFS提取方法能夠快速、準(zhǔn)確的提取出BFS。(3)基于稀疏約束互相關(guān)卷積算法的BFS提取方法研究本文提出基于互相關(guān)卷積的稀疏約束互相關(guān)卷積算法對BFS進行提取。該方法通過約束參考洛倫茲曲線的頻率分布來提高BFS的提取精度。結(jié)果表明,在24.4km的BOTDA系統(tǒng)中,該方法較傳統(tǒng)互相關(guān)卷積算法的BFS測量精度提升了約5MHz。因此,該方法有利于提高BOTDA傳感系統(tǒng)的測量精度。
【學(xué)位單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TP212;TN253
【部分圖文】：

瑞利散射光為彈性散射光，基于瑞利散射的傳感技術(shù)根據(jù)入射光在光纖中由逡逑于纖芯本身隨機起伏產(chǎn)生的瑞利散射來進行分布式測量�；谌鹄⑸涞模希裕模义义嫌谏鲜兰o(jì)七十年代末被首次提出，其結(jié)構(gòu)示意簡圖如圖２－２所示。激光器發(fā)射光逡逑脈沖進入傳感光纖，傳感光纖內(nèi)折射率變化引起瑞利散射，并在入射脈沖光端口逡逑處接收反向傳輸?shù)娜鹄⑸涔�。由于光纖外界影響因素的變化能夠改變光纖的損逡逑耗特性，因此，在接收端接收瑞利散射光，并對反向的瑞利散射光光強進行信號逡逑處理即可得到沿光纖分布的外界環(huán)境信息。逡逑激光源邋＿＾Ｖ0＼＿＝＝＾＿０＿逡逑邐１邐－、邐傳感光纖逡逑Ｉ逡逑？逡逑Ｃｏｍｐｕｔｅｒ逡逑圖２－２邋ＯＴＤＲ原理結(jié)構(gòu)圖逡逑圖２－３展示了基于瑞利散射的ＯＴＤＲ系統(tǒng)的一條有代表性的傳感光纖測量曲逡逑線，該曲線縱軸為信號處理端口接收到的光強度信息，橫軸展示的距離ｄ由光脈逡逑沖在光纖中的傳輸時間ｔ所計算得出：逡逑ｄ邋＝邋—邋ｘ邋—邐（２－１）逡逑ｎ邋２逡逑式（２－１）中，ｃ為光速，ｎ為光纖的折射率，ｔ為入射信號發(fā)射的時間與接收到逡逑反射信號時間之間的時間差。通過觀測該曲線，可以了解傳感光纖線路上的后向逡逑瑞利散射光強度的變化，以及該待測光纖的長度、損耗、斷點等信息。逡逑８逡逑

／邋＼逡逑ｍｍ逡逑圖２－１后向散射光分析逡逑２．１．１基于瑞利散射的分布式光纖傳感技術(shù)逡逑瑞利散射光為彈性散射光，基于瑞利散射的傳感技術(shù)根據(jù)入射光在光纖中由逡逑于纖芯本身隨機起伏產(chǎn)生的瑞利散射來進行分布式測量�；谌鹄⑸涞模希裕模义义嫌谏鲜兰o(jì)七十年代末被首次提出，其結(jié)構(gòu)示意簡圖如圖２－２所示。激光器發(fā)射光逡逑脈沖進入傳感光纖，傳感光纖內(nèi)折射率變化引起瑞利散射，并在入射脈沖光端口逡逑處接收反向傳輸?shù)娜鹄⑸涔�。由于光纖外界影響因素的變化能夠改變光纖的損逡逑耗特性，因此，在接收端接收瑞利散射光，并對反向的瑞利散射光光強進行信號逡逑處理即可得到沿光纖分布的外界環(huán)境信息。逡逑激光源邋＿＾Ｖ0＼＿＝＝＾＿０＿逡逑邐１邐－、邐傳感光纖逡逑Ｉ逡逑？逡逑Ｃｏｍｐｕｔｅｒ逡逑圖２－２邋ＯＴＤＲ原理結(jié)構(gòu)圖逡逑圖２－３展示了基于瑞利散射的ＯＴＤＲ系統(tǒng)的一條有代表性的傳感光纖測量曲逡逑線，該曲線縱軸為信號處理端口接收到的光強度信息，橫軸展示的距離ｄ由光脈逡逑沖在光纖中的傳輸時間ｔ所計算得出：逡逑ｄ邋＝邋—邋ｘ邋—邐（２－１）逡逑ｎ邋２逡逑式（２－１）中，ｃ為光速，ｎ為光纖的折射率，ｔ為入射信號發(fā)射的時間與接收到逡逑反射信號時間之間的時間差。通過觀測該曲線，可以了解傳感光纖線路上的后向逡逑瑞利散射光強度的變化

Ｄａｋｉｎ以９００ｎｍ的激光器作為光源，利用拉曼散射效應(yīng)對石英光纖的分布式逡逑光纖溫度進行測量，首次提出了基于拉曼散射與ＯＴＤＲ技術(shù)的拉曼光時域反射逡逑計（ＲａｍａｎＯＴＤＲ，ＲＯＴＤＲ），ＲＯＴＤＲ技術(shù)原理示意圖如圖２－４所示＿。逡逑９逡逑

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本文編號：2821399