基于BOTDR的分布式温度和应变传感系统的研究

发布时间：2017-08-19 23:05

  本文关键词：基于BOTDR的分布式温度和应变传感系统的研究

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【摘要】：基于布里渊光时域反射(BOTDR)的分布式光纤传感系统,具有良好的实时性、准确的空间分辨率和测量精度,系统结构也简单易实现,一经问世便得到国内外的广泛重视,现已发展成为光纤传感领域的主要技术。本文利用布里渊频移同温度和应变的变化关系,基于相干拍频探测法搭建了分布式传感系统,实现了对温度和应变变化的监测,并通过脉冲调制实验和后期的信号处理算法,提高了布里渊信号的信噪比,进而实现了对系统空间分辨率、测量精度等参数的优化。论文主要内容如下:(1)介绍BOTDR技术的基本理论,阐述自发布里渊散射和受激布里渊散射各自的产生机理。研究布里渊信号的频率和光强同温度和应力变化的定量关系。讨论系统的两类实现方式:直接探测和相干拍频探测,并详细介绍系统的主要性能参数及其各自的影响因素。(2)实验搭建基于BOTDR的分布式传感系统,并对组成系统的重要器件:布里渊激光器和掺铒光纤放大器进行特殊设计,通过实验对各器件的性能参数进行测试和改进。介绍了声光调制器(AOM)的工作原理,实验分析调制脉冲对传感光纤中自发布里渊散射的影响。(3)采用10km的传感光纤,通过多次脉冲调制实验,分析不同脉冲宽度和幅值对传感光纤中散射信号的影响。选择380m V-300ns的调制脉冲进行温度传感实验,得出温度变化同布里渊频移的定量关系,求得布里渊频移的温度变化系数为1.2MHz/℃,系统空间分辨率15m。采用2km的传感光纤,选择600m V-100ns的调制脉冲进行应力传感实验,得出应力变化同布里渊频移的定性关系,实现系统的空间分辨率2m。(4)在信号处理部分,首先通过累加平均去噪的方式实现信号信噪比的提高。选择高斯窗函数分段多次截取采集到的时域上的信息,进行短时傅立叶变换,将得到的频域上的信息点进行拟合,得出传感光纤各处的布里渊频率。通过增大高斯窗函数的长度,将温度传感实验中系统的空间分辨率由15m提高至3m甚至更高。通过选择合适的调制脉冲,可以有效避免非线性效应带来的影响并同时提高系统的信噪比,实现了对温度和应变的检测,并对系统的空间分辨率进行了优化。该系统结构简单且成本较低,进一步提高系统性能将在未来的实际应用中发挥出更大的作用及价值。
【关键词】：分布式传感 脉冲调制 温度应力传感 算法优化 空间分辨率
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-9
• 1 绪论9-17
• 1.1 课题研究背景及意义9
• 1.2 分布式光纤传感技术的分类9-11
• 1.3 基于布里渊散射的光纤传感技术11-13
• 1.3.1 BOTDA技术11-12
• 1.3.2 BOTDR技术12-13
• 1.4 本文主要研究内容及创新点13-17
• 1.4.1 本文主要研究内容13-14
• 1.4.2 本文创新点14-17
• 2 基于BOTDR的分布式传感技术的基本理论17-23
• 2.1 光纤中的布里渊散射17-20
• 2.1.1 自发布里渊散射17-19
• 2.1.2 受激布里渊散射19-20
• 2.2 布里渊频率同温度和应变的关系20-21
• 2.3 布里渊光强同温度和应变的关系21-22
• 2.4 小结22-23
• 3 基于BOTDR的分布式传感系统的原理与分析23-31
• 3.1 系统的实现方式23-27
• 3.1.1 直接探测法23-25
• 3.1.2 相干拍频探测法25-27
• 3.2 系统的主要性能参数27-30
• 3.2.1 信噪比27
• 3.2.2 动态范围27-28
• 3.2.3 空间分辨率28-29
• 3.2.4 温度应变测量精度29-30
• 3.3 小结30-31
• 4 基于BOTDR的分布式传感系统的设计及关键技术研究31-51
• 4.1 基于BOTDR的分布式传感系统的设计31-33
• 4.2 种子光源33-35
• 4.3 声光调制器（AOM）35-41
• 4.3.1 调制脉冲幅度对后向散射光的影响37-39
• 4.3.2 调制脉冲宽度对后向散射光的影响39-41
• 4.4 布里渊激光器41-49
• 4.4.1 SBS阈值和带宽42-43
• 4.4.2 自由频谱宽（FSR）43-46
• 4.4.3 线宽和频漂46-49
• 4.5 掺铒光纤放大器49-50
• 4.5.1 EDFA的基本结构49-50
• 4.5.2 EDFA的泵浦方式50
• 4.6 小结50-51
• 5 基于BOTDR分布式传感系统的温度和应变实验及分析51-77
• 5.1 系统的信号分析处理流程51-55
• 5.1.1 数字累加平均算法51-52
• 5.1.2 短时傅里叶变换52-53
• 5.1.3 非线性最小二乘拟合法53-55
• 5.2 温度传感实验与分析55-63
• 5.2.1 脉冲调制实验55-59
• 5.2.2 温度和Brillouin频率的关系59-63
• 5.3 应变传感实验与分析63-69
• 5.3.1 脉冲调制实验63-66
• 5.3.2 应变和Brillouin频率的关系66-69
• 5.4 实验问题分析69-76
• 5.4.1 本实验不足之处70-71
• 5.4.2 进一步优化实验71-76
• 5.5 小结76-77
• 6 总结及工作展望77-79
• 6.1 总结77-78
• 6.2 下一步工作展望78-79
• 致谢79-81
• 参考文献81-85

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本文编号：703387