BOTDR系统性能提升关键技术研究

发布时间：2020-05-15 21:04

【摘要】：布里渊光时域反射仪(BOTDR)可实现全分布式温度和应变传感,在桥梁隧道、油气管线、大坝边坡等大型基础设施结构健康监测领域具有显著优势。然而,BOTDR检测信号为强度极弱的自发布里渊散射,且其传感光缆多铺设于光纤损耗较大的野外恶劣环境,其存在信噪比低的缺陷。增加探测脉冲宽度和测量平均次数可提高信噪比,但会降低空间分辨率和系统测量速度。因此,如何有效提高BOTDR信噪比,同时兼顾空间分辨率和测量速度,是BOTDR系统性能提升需要解决的重要科学问题。针对上述问题,本论文在分析BOTDR性能提升影响因素的基础上,提出了若干关键技术以提升BOTDR的信噪比、稳定性及测量速度。同时,基于扫频式BOTDR(FS-BOTDR)原理研发了集成化工程样机并进行了温度和应变传感功能验证。主要研究内容和研究结果如下:(1)通过总结BOTDR性能提升及应用研究进展,指出了BOTDR性能提升及应用面临的挑战和问题。通过模拟仿真和实验验证相结合,分析了BOTDR中关键性能参数影响因素,为后续提升BOTDR性能提供前期理论基础和实验指导。(2)通过分析扫频测量过程中布里渊增益谱(BGS)的展宽效应及相干探测结构中光源线宽对信噪比的影响规律,阐明了布里渊频移(BFS)测量精度与光源线宽的关系,进而提出基于光源线宽优化的FS-BOTDR测量精度改善方法。研究表明,在一定范围内,FS-BOTDR测量精度随光源线宽变窄而提高;当线宽过窄时相干瑞利噪声增加,BFS测量精度随光源线宽变窄而降低。(3)提出一种基于SOA增益开关调制的FS-BOTDR方案。基于SOA增益微分方程,通过数值模拟研究了增益开关的脉冲光调制机理,证明了其可产生高消光比且稳定的探测光脉冲,进而可提高BOTDR信噪比和测量稳定性。研究表明,相比于传统的电光调制器,采用增益开关可使相同测量条件下的BFS均方根误差由2.49 MHz减小至0.78 MHz,有效探测距离由10.75 km提升至27.5 km,系统测量稳定性显著提高。此外,以稳定高消光脉冲调制为基础,通过研究长距离BOTDR中的非线性效应,提出了基于透射光谱分析的探测光功率优化方法,进而确定了1 m空间分辨率、27.5 km传感距离下的最佳探测脉冲峰值功率为300 mW。(4)提出一种基于随机序列编码探测的FS-BOTDR方案。利用物理真随机数调制增益开关,产生随机序列编码光脉冲并注入传感光纤。通过后向散射信号与对应探测光脉冲序列的互相关运算,可还原单脉冲响应,进而实现系统解码。理论模拟和实验研究一致表明,采用随机序列编码探测可在不改变空间分辨率的前提下提升FS-BOTDR的信噪比。(5)通过分析微波外差扫频BGS测量原理,阐明了FS-BOTDR中的信号流时域演化基本特征,进而提出一种基于快速响应对数检波的时域信号包络实时提取方案,以替代传统包络提取算法,在降低采样带宽和采样率需求的同时提高了解调速度。研究表明,采用该对数检波方案,在测量精度基本不变的前提下,实现1m空间分辨率所需采样带宽由200 MHz降低至50 MHz。(6)针对短时傅里叶变换型BOTDR(STFT-BOTDR),设计了一种STFT并行运算机制,结合数字滤波器和窗函数优化,实现BGS快速解调。研究表明,采用Butterworth滤波器和Hanning窗函数可获得最佳BFS解调精度。与串行运算机制相比,采用STFT并行运算机制可在保证BFS解调精度的前提下,将数据处理速度提升约25倍。
【图文】：

示意图,基本结构,示意图,探测光

BOFDA 利用相向传输两束连续光的受激布里渊散射来实现布里渊频移（BrillouinFrequency Shift, BFS）测量，位置信息则依靠求取光纤基带传输函数来实现，基本结构如图 1-1 所示。探测光和泵浦光均为窄线宽连续光，光频率差约为被测光纤的布里渊频移。其中，对探测光进行角频率为 ωm的幅度调制，采用光电探测器记录每个调制频率ωm下的探测光和泵浦光强度，并送入矢量网络分析仪。通过计算基带传输函数，并基于傅里叶逆变换求取传感光纤单位冲击响应函数，最终获得光纤沿线应变和温度分布。

示意图,基本结构,示意图,探测光

图 1-1 BOFDA 基本结构示意图[16]Fig.1-1 Structure diagram of a basic BOFDABOCDA 的基本结构如图 1-2 所示。激光器发出经正弦调制的连续光（频率为 fm），通过耦合器分成泵浦光和探测光。其中，探测光经单边带调制器（Single SidebandModulator, SSBM）调制后注入传感光纤另一端（调制频率为 v），经 EOM 斩波的泵浦光和经受激布里渊放大的探测光同步送入锁相放大器进行相关检测。基于上述装置，通过改变频率 v 和频率 fm可分别实现布里渊增益谱（Brillouin Gain Spectrum, BGS）扫描和相关峰定位，，进而可得到光纤沿程的 BFS 分布，最终实现温度或应变分布式传感。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212

【参考文献】