本文關(guān)鍵詞：基于BOTDR的分布式溫度和應(yīng)變傳感系統(tǒng)的研究

  更多相關(guān)文章： 分布式傳感 脈沖調(diào)制 溫度應(yīng)力傳感 算法優(yōu)化 空間分辨率

【摘要】：基于布里淵光時(shí)域反射(BOTDR)的分布式光纖傳感系統(tǒng),具有良好的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確的空間分辨率和測(cè)量精度,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn),一經(jīng)問世便得到國(guó)內(nèi)外的廣泛重視,現(xiàn)已發(fā)展成為光纖傳感領(lǐng)域的主要技術(shù)。本文利用布里淵頻移同溫度和應(yīng)變的變化關(guān)系,基于相干拍頻探測(cè)法搭建了分布式傳感系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度和應(yīng)變變化的監(jiān)測(cè),并通過脈沖調(diào)制實(shí)驗(yàn)和后期的信號(hào)處理算法,提高了布里淵信號(hào)的信噪比,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)空間分辨率、測(cè)量精度等參數(shù)的優(yōu)化。論文主要內(nèi)容如下:(1)介紹BOTDR技術(shù)的基本理論,闡述自發(fā)布里淵散射和受激布里淵散射各自的產(chǎn)生機(jī)理。研究布里淵信號(hào)的頻率和光強(qiáng)同溫度和應(yīng)力變化的定量關(guān)系。討論系統(tǒng)的兩類實(shí)現(xiàn)方式:直接探測(cè)和相干拍頻探測(cè),并詳細(xì)介紹系統(tǒng)的主要性能參數(shù)及其各自的影響因素。(2)實(shí)驗(yàn)搭建基于BOTDR的分布式傳感系統(tǒng),并對(duì)組成系統(tǒng)的重要器件:布里淵激光器和摻鉺光纖放大器進(jìn)行特殊設(shè)計(jì),通過實(shí)驗(yàn)對(duì)各器件的性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試和改進(jìn)。介紹了聲光調(diào)制器(AOM)的工作原理,實(shí)驗(yàn)分析調(diào)制脈沖對(duì)傳感光纖中自發(fā)布里淵散射的影響。(3)采用10km的傳感光纖,通過多次脈沖調(diào)制實(shí)驗(yàn),分析不同脈沖寬度和幅值對(duì)傳感光纖中散射信號(hào)的影響。選擇380m V-300ns的調(diào)制脈沖進(jìn)行溫度傳感實(shí)驗(yàn),得出溫度變化同布里淵頻移的定量關(guān)系,求得布里淵頻移的溫度變化系數(shù)為1.2MHz/℃,系統(tǒng)空間分辨率15m。采用2km的傳感光纖,選擇600m V-100ns的調(diào)制脈沖進(jìn)行應(yīng)力傳感實(shí)驗(yàn),得出應(yīng)力變化同布里淵頻移的定性關(guān)系,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的空間分辨率2m。(4)在信號(hào)處理部分,首先通過累加平均去噪的方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)信噪比的提高。選擇高斯窗函數(shù)分段多次截取采集到的時(shí)域上的信息,進(jìn)行短時(shí)傅立葉變換,將得到的頻域上的信息點(diǎn)進(jìn)行擬合,得出傳感光纖各處的布里淵頻率。通過增大高斯窗函數(shù)的長(zhǎng)度,將溫度傳感實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)的空間分辨率由15m提高至3m甚至更高。通過選擇合適的調(diào)制脈沖,可以有效避免非線性效應(yīng)帶來的影響并同時(shí)提高系統(tǒng)的信噪比,實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度和應(yīng)變的檢測(cè),并對(duì)系統(tǒng)的空間分辨率進(jìn)行了優(yōu)化。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且成本較低,進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能將在未來的實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮出更大的作用及價(jià)值。
【關(guān)鍵詞】：分布式傳感 脈沖調(diào)制 溫度應(yīng)力傳感 算法優(yōu)化 空間分辨率
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TP212
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-9
• 1 緒論9-17
• 1.1 課題研究背景及意義9
• 1.2 分布式光纖傳感技術(shù)的分類9-11
• 1.3 基于布里淵散射的光纖傳感技術(shù)11-13
• 1.3.1 BOTDA技術(shù)11-12
• 1.3.2 BOTDR技術(shù)12-13
• 1.4 本文主要研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)13-17
• 1.4.1 本文主要研究?jī)?nèi)容13-14
• 1.4.2 本文創(chuàng)新點(diǎn)14-17
• 2 基于BOTDR的分布式傳感技術(shù)的基本理論17-23
• 2.1 光纖中的布里淵散射17-20
• 2.1.1 自發(fā)布里淵散射17-19
• 2.1.2 受激布里淵散射19-20
• 2.2 布里淵頻率同溫度和應(yīng)變的關(guān)系20-21
• 2.3 布里淵光強(qiáng)同溫度和應(yīng)變的關(guān)系21-22
• 2.4 小結(jié)22-23
• 3 基于BOTDR的分布式傳感系統(tǒng)的原理與分析23-31
• 3.1 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式23-27
• 3.1.1 直接探測(cè)法23-25
• 3.1.2 相干拍頻探測(cè)法25-27
• 3.2 系統(tǒng)的主要性能參數(shù)27-30
• 3.2.1 信噪比27
• 3.2.2 動(dòng)態(tài)范圍27-28
• 3.2.3 空間分辨率28-29
• 3.2.4 溫度應(yīng)變測(cè)量精度29-30
• 3.3 小結(jié)30-31
• 4 基于BOTDR的分布式傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究31-51
• 4.1 基于BOTDR的分布式傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)31-33
• 4.2 種子光源33-35
• 4.3 聲光調(diào)制器（AOM）35-41
• 4.3.1 調(diào)制脈沖幅度對(duì)后向散射光的影響37-39
• 4.3.2 調(diào)制脈沖寬度對(duì)后向散射光的影響39-41
• 4.4 布里淵激光器41-49
• 4.4.1 SBS閾值和帶寬42-43
• 4.4.2 自由頻譜寬（FSR）43-46
• 4.4.3 線寬和頻漂46-49
• 4.5 摻鉺光纖放大器49-50
• 4.5.1 EDFA的基本結(jié)構(gòu)49-50
• 4.5.2 EDFA的泵浦方式50
• 4.6 小結(jié)50-51
• 5 基于BOTDR分布式傳感系統(tǒng)的溫度和應(yīng)變實(shí)驗(yàn)及分析51-77
• 5.1 系統(tǒng)的信號(hào)分析處理流程51-55
• 5.1.1 數(shù)字累加平均算法51-52
• 5.1.2 短時(shí)傅里葉變換52-53
• 5.1.3 非線性最小二乘擬合法53-55
• 5.2 溫度傳感實(shí)驗(yàn)與分析55-63
• 5.2.1 脈沖調(diào)制實(shí)驗(yàn)55-59
• 5.2.2 溫度和Brillouin頻率的關(guān)系59-63
• 5.3 應(yīng)變傳感實(shí)驗(yàn)與分析63-69
• 5.3.1 脈沖調(diào)制實(shí)驗(yàn)63-66
• 5.3.2 應(yīng)變和Brillouin頻率的關(guān)系66-69
• 5.4 實(shí)驗(yàn)問題分析69-76
• 5.4.1 本實(shí)驗(yàn)不足之處70-71
• 5.4.2 進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)71-76
• 5.5 小結(jié)76-77
• 6 總結(jié)及工作展望77-79
• 6.1 總結(jié)77-78
• 6.2 下一步工作展望78-79
• 致謝79-81
• 參考文獻(xiàn)81-85

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本文編號(hào)：703387