BOTDA光纤温度传感系统中布里渊频移提取技术研究

发布时间：2020-09-18 08:11

　　 随着大数据、人工智能、物联网的应用和普及,分布式光纤传感技术受到了广泛关注。分布式光纤传感技术具有抗辐射、防潮湿、体积小、可实现温度应力测量等优势,目前,众多军事机构、企业开始采用分布式光纤传感器实现环境信息的精确监控或测量。其中,基于受激布里渊散射的光时域分析技术(Brillouin optical time domain analysis,BOTDA)凭借传感距离长、测量精度高的优点,被广泛应用于石油管道监控、建筑结构检测等应用场景中。然而,BOTDA传感系统也存在测量时间、传感距离及测量精度无法同时兼容的问题:传感距离长时,增加信号平均次数可以获得足够的精度,但是会延长系统的测量时间;使用降低扫频间隔等方法降低测量时间,会对测量精度造成影响。上述不同性能互相制约的问题,为该技术的推广带来极大阻碍,因此,研究提升BOTDA传感系统性能即测量精度、测量距离、测量时间的方法具有重要的意义。针对上述问题,本文研究了基于受激布里渊散射的BOTDA传感系统,设计并搭建了24.4km的BOTDA温度传感实验平台。针对BOTDA系统的布里渊增益谱,本文提出小波-高斯滤波算法对其进行降噪来提高系统的性能;针对布里渊频移(Brillouin frequency shift,BFS)的提取,本文分别提出使用AdaGrad(Adaptive gradient algorithm)算法以及稀疏约束互相关卷积法以实现快速、高精度的提取。论文的主要研究工作如下:(1)基于小波-高斯滤波的布里渊增益谱降噪方法研究针对BOTDA传感系统中的布里渊增益谱(Brillouin scattering spectrum,BGS),本文提出小波-高斯滤波算法对其进行降噪来提高BGS的信噪比。结果表明,该方法在提升BGS信噪比的同时将BGS的信号强度提高了约2mV,因此,该方法有利于提高BOTDA传感系统的信噪比与传感距离。(2)基于AdaGrad算法的布里渊频移提取方法研究本文提出采用AdaGrad算法对BGS进行布里渊频移提取,并从初始值赋值依赖性与运算速度研究该方法的性能。结果表明,与传统梯度下降方法相比,该方法对初始值的依赖程度更低,收敛速度更快;与LM(Levenberg-Marquard)算法相比,该方法的每组数据平均耗时节省了约0.023s。因此,基于AdaGrad算法的BFS提取方法能够快速、准确的提取出BFS。(3)基于稀疏约束互相关卷积算法的BFS提取方法研究本文提出基于互相关卷积的稀疏约束互相关卷积算法对BFS进行提取。该方法通过约束参考洛伦兹曲线的频率分布来提高BFS的提取精度。结果表明,在24.4km的BOTDA系统中,该方法较传统互相关卷积算法的BFS测量精度提升了约5MHz。因此,该方法有利于提高BOTDA传感系统的测量精度。
【学位单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP212;TN253
【部分图文】：

瑞利散射光为弹性散射光，基于瑞利散射的传感技术根据入射光在光纤中由逡逑于纤芯本身随机起伏产生的瑞利散射来进行分布式测量。基于瑞利散射的ＯＴＤＲ逡逑于上世纪七十年代末被首次提出，其结构示意简图如图２－２所示。激光器发射光逡逑脉冲进入传感光纤，传感光纤内折射率变化引起瑞利散射，并在入射脉冲光端口逡逑处接收反向传输的瑞利散射光。由于光纤外界影响因素的变化能够改变光纤的损逡逑耗特性，因此，在接收端接收瑞利散射光，并对反向的瑞利散射光光强进行信号逡逑处理即可得到沿光纤分布的外界环境信息。逡逑激光源邋＿＾Ｖ0＼＿＝＝＾＿０＿逡逑逦１逦－、逦传感光纤逡逑Ｉ逡逑？逡逑Ｃｏｍｐｕｔｅｒ逡逑图２－２邋ＯＴＤＲ原理结构图逡逑图２－３展示了基于瑞利散射的ＯＴＤＲ系统的一条有代表性的传感光纤测量曲逡逑线，该曲线纵轴为信号处理端口接收到的光强度信息，横轴展示的距离ｄ由光脉逡逑冲在光纤中的传输时间ｔ所计算得出：逡逑ｄ邋＝邋—邋ｘ邋—逦（２－１）逡逑ｎ邋２逡逑式（２－１）中，ｃ为光速，ｎ为光纤的折射率，ｔ为入射信号发射的时间与接收到逡逑反射信号时间之间的时间差。通过观测该曲线，可以了解传感光纤线路上的后向逡逑瑞利散射光强度的变化，以及该待测光纤的长度、损耗、断点等信息。逡逑８逡逑

／邋＼逡逑ｍｍ逡逑图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纤传感技术逡逑瑞利散射光为弹性散射光，基于瑞利散射的传感技术根据入射光在光纤中由逡逑于纤芯本身随机起伏产生的瑞利散射来进行分布式测量。基于瑞利散射的ＯＴＤＲ逡逑于上世纪七十年代末被首次提出，其结构示意简图如图２－２所示。激光器发射光逡逑脉冲进入传感光纤，传感光纤内折射率变化引起瑞利散射，并在入射脉冲光端口逡逑处接收反向传输的瑞利散射光。由于光纤外界影响因素的变化能够改变光纤的损逡逑耗特性，因此，在接收端接收瑞利散射光，并对反向的瑞利散射光光强进行信号逡逑处理即可得到沿光纤分布的外界环境信息。逡逑激光源邋＿＾Ｖ0＼＿＝＝＾＿０＿逡逑逦１逦－、逦传感光纤逡逑Ｉ逡逑？逡逑Ｃｏｍｐｕｔｅｒ逡逑图２－２邋ＯＴＤＲ原理结构图逡逑图２－３展示了基于瑞利散射的ＯＴＤＲ系统的一条有代表性的传感光纤测量曲逡逑线，该曲线纵轴为信号处理端口接收到的光强度信息，横轴展示的距离ｄ由光脉逡逑冲在光纤中的传输时间ｔ所计算得出：逡逑ｄ邋＝邋—邋ｘ邋—逦（２－１）逡逑ｎ邋２逡逑式（２－１）中，ｃ为光速，ｎ为光纤的折射率，ｔ为入射信号发射的时间与接收到逡逑反射信号时间之间的时间差。通过观测该曲线，可以了解传感光纤线路上的后向逡逑瑞利散射光强度的变化

Ｄａｋｉｎ以９００ｎｍ的激光器作为光源，利用拉曼散射效应对石英光纤的分布式逡逑光纤温度进行测量，首次提出了基于拉曼散射与ＯＴＤＲ技术的拉曼光时域反射逡逑计（ＲａｍａｎＯＴＤＲ，ＲＯＴＤＲ），ＲＯＴＤＲ技术原理示意图如图２－４所示＿。逡逑９逡逑

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本文编号：2821399