基于受激布里渊散射的分布式动态应变传感技术研究

论文摘要

分布式光纤传感器（Distributed Optical Fiber Sensors,DOFS）因光纤体积小、重量轻、不受电磁干扰、可在数十上百公里距离实现真正意义上的分布式传感等诸多优势已成为近年来的研究热点。其中基于受激布里渊散射（stimulated Brillouin scattering,SBS）的布里渊光时域分析（Brillouin Optical Time domain Analysis,BOTDA）技术能够实现长距离高空间分辨率的分布式应变/温度测量,在输油管道及大型建筑结构的健康监测等领域可发挥很重要的作用。一般来说,BOTDA技术通过对探测光的频率进行扫描从而重构光纤的布里渊增益谱实现温度/应变的分布式传感。然而由于扫频过程较为缓慢,且需要对测量数据进行大量平均运算来提高信号的信噪比,使得BOTDA的传感速度较慢,一次完整测量时间为几秒到几分钟。本文针对以上问题展开研究,提出多种调制解调技术大幅提升了BOTDA系统的振动频响范围、传感长度、空间分辨率和信噪比等多项参数。论文的核心内容包括:（1）.在梳理基于SBS的DOFS国内外研究进展的基础上,重点介绍了动态BOTDA的研究现状,并讨论了动态BOTDA面临的技术挑战。通过分析受激布里渊散射的形成过程、物理模型以及基于受激布里渊散射的温度/应变传感机理,着重阐述了基于捷变频技术的快速BOTDA（Fast BOTDA,F-BOTDA）和斜坡辅助BOTDA（slope-assisted BOTDA,SA-BOTDA）的原理,并提出了相应的改进方法。（2）.提出了基于泵浦脉冲频率调制和差分脉冲对（Differential Pulse-width Pair,DPP）技术的高空间分辨率F-BOTDA。首先介绍了泵浦脉冲频率调制的原理,并对双边带泵浦脉冲频率调制中存在的噪声进行了分析,为后续调制参数的优化提供了依据。随后搭建了基于泵浦脉冲频率调制和DPP技术的高空间分辨率F-BOTDA系统,在230 m长的保偏光纤上实现了最大采样率为2.6 kHz的动态传感,空间分辨率和动态范围分别为50 cm和210 MHz。（3）.提出了基于循环编码和偏振分集技术的长距离F-BOTDA。首先从线性编码理论出发,阐述了Simplex码的编码、解码理论及其编码增益。深入研究了循环Simplex码的编码和解码过程,为循环Simplex码在F-BOTDA中的应用提供了理论基础。分析了BOTDA在单模光纤中的偏振衰落现象,结合第三章中的泵浦脉冲频率调制,提出了基于双边带调制的偏振分集技术来消除偏振衰落。然后搭建了基于循环编码和偏振分集技术的F-BOTDA实验系统。利用71位循环Simplex码和偏振分集技术,首次将F-BOTDA的传感距离拓展到2 km,且不需要平均。系统的空间分辨率为1.5 m,最高采样率为440 Hz。（4）.提出了基于布里渊相位增益比值（Brillouin phase-gain ratio,BPGR）的矢量多斜坡辅助BOTDA。首先介绍了矢量BOTDA的工作原理,阐述了矢量BOTDA中常用的IQ（in-phase/quadrature,IQ）解调算法。通过理论仿真分析了泵浦脉冲宽度和信噪比对BPGR线性范围的影响。在此基础上搭建了基于BPGR的矢量多斜坡辅助BOTDA实验系统。通过同时检测探测光各频率成分的BPGR对光纤的布里渊频移进行解调,在不降低系统传感速度的同时提高了SA-BOTDA的动态范围。采用频率间隔为60 MHz的三频探测光在1.9 km单模光纤上实现了动态范围为180MHz,采样率为1.5 kHz,空间分辨率为2.5 m的动态传感。本文采用泵浦脉冲频率调制降低了F-BOTDA的成本,利用循环编码、偏振分集技术对F-BOTDA的传感距离进行了拓展,采用矢量多斜坡辅助技术提高了SA-BOTDA的动态范围,最终实现了分布式布里渊动态传感系统性能的大幅提升。

论文目录

摘要

英文摘要

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 光纤受激布里渊散射分布式传感技术概述

1.2.1 光纤布里渊分布式传感器的种类

1.2.2 布里渊光相关域分析技术

1.2.3 布里渊光频域分析技术

1.2.4 布里渊光时域分析技术

1.3 动态布里渊光时域分析传感技术研究进展

1.4 本文的研究意义和内容

2 基于布里渊散射的分布式传感理论基础

2.1 光纤中的布里渊散射

2.1.1 光纤中的散射

2.1.2 自发布里渊散射

2.1.3 受激布里渊散射

2.2 布里渊散射的传感机理

2.3 布里渊光时域分析的动态性能提升技术

2.3.1 基于捷变频技术的F-BOTDA

2.3.2 基于斜坡辅助的SA-BOTDA

2.4 本章小结

3 基于泵浦脉冲频率调制的分布式动态布里渊传感

3.1 基于泵浦脉冲频率调制的动态布里渊传感基本原理

3.1.1 泵浦脉冲频率调制技术

3.1.2 泵浦脉冲频率调制技术的参数优化

3.2 基于泵浦脉冲频率调制的动态布里渊传感实验

3.2.1 实验装置

3.2.2 静态测试

3.2.3 振动传感实验及分析

3.3 本章小结

4 基于循环编码和偏振分集技术的分布式动态布里渊传感

4.1 循环Simplex编码技术

4.1.1 线性编码的基本原理

4.1.2 Simplex码的编码增益

4.1.3 循环Simplex码的编码与解码

4.2 双边带BOTDA偏振分集技术

4.2.1 BOTDA中的偏振衰落现象

4.2.2 基于双边带调制的偏振分集技术

4.3 基于循环编码和偏振分集技术的长距离分布式动态布里渊传感实验

4.3.1 实验装置

4.3.2 静态测试

4.3.3 振动传感实验及分析

4.4 本章小结

5 基于BPGR的矢量多斜坡辅助分布式动态布里渊传感

5.1 基于矢量BOTDA的分布式布里渊传感

5.1.1 矢量BOTDA的基本原理

5.1.2 实验装置

5.1.3 实验结果与分析

5.2 基于BPGR的多斜坡辅助分布式动态布里渊传感

5.2.1 基于BPGR的多斜坡辅助BOTDA的基本原理

5.2.2 实验装置

5.2.3 静态测试

5.2.4 振动传感实验及分析

5.3 本章小结

6 全文总结与展望

6.1 内容总结

6.2 论文创新点

6.3 论文不足及进一步研究展望

参考文献

附录

A.作者在攻读博士学位期间发表的论文目录

B.作者在攻读博士学位期间取得的科研成果目录

C.学位论文数据集

致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 郑华

导师: 朱涛

关键词: 受激布里渊散射,动态测量,分布式光纤传感,相干探测

来源: 重庆大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,自动化技术

单位: 重庆大学

基金: 国家杰出青年科学基金(61825501)

分类号: TP212;O437.2

DOI: 10.27670/d.cnki.gcqdu.2019.002872

总页数: 115

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