【摘要】：布里淵光時(shí)域反射儀(BOTDR)可實(shí)現(xiàn)全分布式溫度和應(yīng)變傳感,在橋梁隧道、油氣管線、大壩邊坡等大型基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢(shì)。然而,BOTDR檢測(cè)信號(hào)為強(qiáng)度極弱的自發(fā)布里淵散射,且其傳感光纜多鋪設(shè)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(cè)脈沖寬度和測(cè)量平均次數(shù)可提高信噪比,但會(huì)降低空間分辨率和系統(tǒng)測(cè)量速度。因此,如何有效提高BOTDR信噪比,同時(shí)兼顧空間分辨率和測(cè)量速度,是BOTDR系統(tǒng)性能提升需要解決的重要科學(xué)問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題,本論文在分析BOTDR性能提升影響因素的基礎(chǔ)上,提出了若干關(guān)鍵技術(shù)以提升BOTDR的信噪比、穩(wěn)定性及測(cè)量速度。同時(shí),基于掃頻式BOTDR(FS-BOTDR)原理研發(fā)了集成化工程樣機(jī)并進(jìn)行了溫度和應(yīng)變傳感功能驗(yàn)證。主要研究?jī)?nèi)容和研究結(jié)果如下:(1)通過(guò)總結(jié)BOTDR性能提升及應(yīng)用研究進(jìn)展,指出了BOTDR性能提升及應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)和問(wèn)題。通過(guò)模擬仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合,分析了BOTDR中關(guān)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(chǔ)和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。(2)通過(guò)分析掃頻測(cè)量過(guò)程中布里淵增益譜(BGS)的展寬效應(yīng)及相干探測(cè)結(jié)構(gòu)中光源線寬對(duì)信噪比的影響規(guī)律,闡明了布里淵頻移(BFS)測(cè)量精度與光源線寬的關(guān)系,進(jìn)而提出基于光源線寬優(yōu)化的FS-BOTDR測(cè)量精度改善方法。研究表明,在一定范圍內(nèi),FS-BOTDR測(cè)量精度隨光源線寬變窄而提高;當(dāng)線寬過(guò)窄時(shí)相干瑞利噪聲增加,BFS測(cè)量精度隨光源線寬變窄而降低。(3)提出一種基于SOA增益開(kāi)關(guān)調(diào)制的FS-BOTDR方案�；赟OA增益微分方程,通過(guò)數(shù)值模擬研究了增益開(kāi)關(guān)的脈沖光調(diào)制機(jī)理,證明了其可產(chǎn)生高消光比且穩(wěn)定的探測(cè)光脈沖,進(jìn)而可提高BOTDR信噪比和測(cè)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(kāi)關(guān)可使相同測(cè)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(cè)距離由10.75 km提升至27.5 km,系統(tǒng)測(cè)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(chǔ),通過(guò)研究長(zhǎng)距離BOTDR中的非線性效應(yīng),提出了基于透射光譜分析的探測(cè)光功率優(yōu)化方法,進(jìn)而確定了1 m空間分辨率、27.5 km傳感距離下的最佳探測(cè)脈沖峰值功率為300 mW。(4)提出一種基于隨機(jī)序列編碼探測(cè)的FS-BOTDR方案。利用物理真隨機(jī)數(shù)調(diào)制增益開(kāi)關(guān),產(chǎn)生隨機(jī)序列編碼光脈沖并注入傳感光纖。通過(guò)后向散射信號(hào)與對(duì)應(yīng)探測(cè)光脈沖序列的互相關(guān)運(yùn)算,可還原單脈沖響應(yīng),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)解碼。理論模擬和實(shí)驗(yàn)研究一致表明,采用隨機(jī)序列編碼探測(cè)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(guò)分析微波外差掃頻BGS測(cè)量原理,闡明了FS-BOTDR中的信號(hào)流時(shí)域演化基本特征,進(jìn)而提出一種基于快速響應(yīng)對(duì)數(shù)檢波的時(shí)域信號(hào)包絡(luò)實(shí)時(shí)提取方案,以替代傳統(tǒng)包絡(luò)提取算法,在降低采樣帶寬和采樣率需求的同時(shí)提高了解調(diào)速度。研究表明,采用該對(duì)數(shù)檢波方案,在測(cè)量精度基本不變的前提下,實(shí)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(duì)短時(shí)傅里葉變換型BOTDR(STFT-BOTDR),設(shè)計(jì)了一種STFT并行運(yùn)算機(jī)制,結(jié)合數(shù)字濾波器和窗函數(shù)優(yōu)化,實(shí)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(yùn)算機(jī)制相比,采用STFT并行運(yùn)算機(jī)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(lái)實(shí)現(xiàn)布里淵頻移（BrillouinFrequency Shift, BFS）測(cè)量，位置信息則依靠求取光纖基帶傳輸函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，基本結(jié)構(gòu)如圖 1-1 所示。探測(cè)光和泵浦光均為窄線寬連續(xù)光，光頻率差約為被測(cè)光纖的布里淵頻移。其中，對(duì)探測(cè)光進(jìn)行角頻率為 ωm的幅度調(diào)制，采用光電探測(cè)器記錄每個(gè)調(diào)制頻率ωm下的探測(cè)光和泵浦光強(qiáng)度，并送入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。通過(guò)計(jì)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(yīng)函數(shù)，最終獲得光纖沿線應(yīng)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(guò)耦合器分成泵浦光和探測(cè)光。其中，探測(cè)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(cè)光同步送入鎖相放大器進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)�；谏鲜鲅b置，通過(guò)改變頻率 v 和頻率 fm可分別實(shí)現(xiàn)布里淵增益譜（Brillouin Gain Spectrum, BGS）掃描和相關(guān)峰定位，，進(jìn)而可得到光纖沿程的 BFS 分布，最終實(shí)現(xiàn)溫度或應(yīng)變分布式傳感。
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP212

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2665634