单端BOTDA关键技术的理论和实验研究
发布时间：2020-05-25 16:37
【摘要】：随着现代电力系统的迅猛发展,电气设备作为电力系统和工厂生产的基础单元,由于在运行过程中会受到各种因素的影响,其性能逐渐老化进而会出现故障,从而造成巨大经济损失和社会影响,因此电气设备的在线监测对于保障经济和社会发展具有重要意义。本文提出的具有单端工作、结构简单、在光纤发生断裂时仍然能够进行检测等优势的单端布里渊光时域分析(BOTDA)技术可实现电气设备的实时监测。分析了基于瑞利散射和菲涅尔反射的单端BOTDA系统的工作原理和系统特性;提出了基于多波长光源和脉冲编码的单端BOTDA系统性能提升方法,并对脉冲编码位数进行了最佳化设计;研究了相干瑞利噪声的降噪方法,提出了基于波长扫描-平均的单端BOTDA系统的降噪方案;提出了单端矢量BOTDA动态应变测量技术,以及提升动态应变测量系统性能指标的有效方法;上述研究为电气设备的高准确度的实时在线监测提供理论依据和技术支撑。本文取得的主要研究成果如下:1)建立了基于光纤背向瑞利散射和光纤末端菲涅尔反射的单端BOTDA系统的数学模型,对单端BOTDA系统的阈值特性进行了理论和实验研究;根据布里渊频移与温度的关系对单端BOTDA系统的温度传感特性进行了理论和实验研究;建立了单端BOTDA系统的矢量受激布里渊散射(SBS)数学模型,得到了增益型和损耗型SBS的幅度谱和相移谱的表达式,为后续单端BOTDA传感技术的性能提升奠定了理论和实验基础。2)针对单端BOTDA传感技术存在的信号小、噪声大的问题,提出了基于多波长激光光源的单端BOTDA传感技术,分析了多波长激光光源提高基于瑞利散射的单端BOTDA系统光纤SBS阈值和系统信噪比的原理,并对光纤SBS阈值和单端BOTDA系统的性能进行了测试;提出了基于脉冲编码的单端BOTDA温度传感技术,分析了 Golay互补序列原理及单脉冲和编码脉冲系统的信噪比,并对基于瑞利散射的单端BOTDA系统和基于菲涅尔反射的单端BOTDA系统性能进行了测试;对脉冲编码单端BOTDA系统的最佳编码位数进行了理论和实验研究;实验结果表明多波长光源、脉冲编码技术均可有效提高系统信噪比,解决系统空间分辨率、信噪比、测量精度之间相互制约的问题。3)为了解决单端BOTDA系统存在的噪声大的问题,分析了单端BOTDA传感系统中存在的噪声,在理论推导的基础上将波长扫描-平均降噪方法引入单端BOTDA系统;分析了波长扫描-平均技术降低直接检测系统中相干瑞利噪声的原理,并通过搭建基于瑞利散射的单端BOTDA直接检测系统进行验证,实验结果表明波长扫描-平均技术可有效降低噪声引起的幅度波动、提升系统信噪比;研究了本地外差检测中偏振衰落噪声的影响和波长扫描-平均技术降低相干瑞利噪声的原理,并通过搭建基于瑞利散射的单端BOTDA本地外差检测系统进行了实验验证;分析了自外差检测技术降低光源频率不稳定性影响的原理,提出了采用自外差检测和波长扫描-平均技术的单端BOTDA温度测量方法,并进行了实验验证。4)提出了一种单端矢量BOTDA动态应变测量方法,从传感原理、系统设计、动态应变解析三个方面论证了方法的可行性,可实现高频、快速、非本地效应小、系统可靠性高的动态应变测量;针对空间分辨率与测量精度难以同时提高的问题,提出了基于脉冲预泵浦技术的单端矢量BOTDA动态应变测量方法,并利用平衡探测技术提升系统的信噪比;提出了一种基于双边带结构的单端矢量BOTDA动态应变测量方法,其应变灵敏度是单边带系统中应变灵敏度的2倍,且通过Simplex编码可提高系统信噪比,采用自外差检测技术可以减小光源频率漂移的影响。
【图文】：
的国内外研究现状及发展趋势；在电力系统分立式输电线路覆冰监测己有较多的研究［６２温度监测；李成宾等提出的利用分布式布里实现输电线路覆冰的分布式的在线监测具有为了对电力电缆的温度进行分布式监测，，电力电缆的温度监测中，获得了邋±０．５邋°Ｃ的里渊散射的分布式光纤传感技术在电力系统和应变具有较好的理论和实际应用价值。逡逑散射原理逡逑射是一种在输入功率高于其阈值时在光纤相对于入射光均发生改变，并把绝大部分输受激布里渊散射逡逑
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本文编号：2680435
【图文】：
的国内外研究现状及发展趋势；在电力系统分立式输电线路覆冰监测己有较多的研究［６２温度监测；李成宾等提出的利用分布式布里实现输电线路覆冰的分布式的在线监测具有为了对电力电缆的温度进行分布式监测，，电力电缆的温度监测中，获得了邋±０．５邋°Ｃ的里渊散射的分布式光纤传感技术在电力系统和应变具有较好的理论和实际应用价值。逡逑散射原理逡逑射是一种在输入功率高于其阈值时在光纤相对于入射光均发生改变，并把绝大部分输受激布里渊散射逡逑
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