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BOTDR系统性能提升关键技术研究

 
【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。
【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

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