何玉钧[1]2001年在《基于自发布里渊散射的分布式光纤传感技术的研究》文中指出本文对分布式光纤传感技术特别是基于布里渊散射的分布式光纤传感技术的发展及研究现状进行了论述。同时结合课题研究重点，对光纤中自发布里渊散射及其传感机理进行了较深入的理论分析。在此基础上，提出了一种新型的基于自发布里渊散射的分布式光纤温度、应变传感系统，并完成了部分实验研究。
王立娜[2]2009年在《基于布里渊散射的分布传感技术研究》文中提出管道运输系统作为一种安全、经济的运输方法已广泛应用于石油、天然气等工业部门中,然而近年来输油管道被打孔盗油案件时有发生,造成了巨大的经济损失,这使得油气管线自动监测技术变得日益重要。本文针对现有的石油、天然气管道安全检测技术存在的只能在泄漏后进行报警、定位的问题,提出了一种有效可行的基于布里渊散射光时域反射(BOTDR)技术的分布式光纤温度/应变传感系统——相干自外差布里渊散射分布式光纤传感系统,并完成了部分实验研究。本文就目前分布式光纤传感研究中的热点进行分析比较,确立了课题研究方向,结合课题研究重点,对光纤中自发布里渊散射及其传感机理进行了较为深入的理论分析,提出了利用布里渊散射和瑞利散射信号的强度比,即Landau-Placzek Ratio(LRP)实现温度/应变同时测量的方法,能够有效抑制光路上的各种损耗对布里渊散射光功率的影响,针对提出的系统整体设计方案进行了主要子系统的详细分析和相关器件的选择,提出了在电域里对布里渊频谱进行扫描实现布里渊频移的测量,并对系统的空间分辨率、信噪比、应变/温度分辨率、系统时间分辨率等主要性能参数做了重点分析和计算,利用Verilog HDL硬件描述语言在QuartusⅡ5.1FPGA开发平台下完成了脉冲的产生,设计了脉冲整形、放大电路,最后根据设计方案搭建系统,完成了受激布里渊散射阈值和布里渊频移的测量等部分实验工作,为系统下一步工作的展开打下坚实的基础。
李嘉琪[3]2017年在《基于BOTDA技术的分布式光纤传感系统的研究》文中进行了进一步梳理20世纪70年代以来,伴随着光纤通信技术的超快速发展而融合衍生出来的分布式光纤传感技术逐渐走进了国计民生的方方面面,在结构安全康健监测领域有着重要的实用地位。它不仅具有传统光纤传感器所具备的体积小、质量轻、抗电磁、抗辐射、抗腐蚀等优点,还将信息传输与传感合二为一,大大减小了传感器的工艺耗能成本,在很多人工难以完成的检测工作中,它都显示出了超强的应用能力,因此逐渐受到了广大科研工作者的青睐。传统的基于受激布里渊散射光时域分析(Brillouin optical time domain analysis,BOTDA)技术的分布式光纤传感系统不仅需要大量的测量时间,还存在很大的噪声干扰,使得测量结果误差很大,严重影响传感测量的时效性。本研究中,我们针对测量时间较长和噪声较大的问题,提出了采用累加平均和小波变换相结合的灵活的信号处理方法,将labVIEW和MATLAB相结合实现此种手段,大大减小了系统测量时间,系统的信噪比得到了较大幅度的提升。文章首先对基于BOTDA技术的分布式光纤传感课题做了基本介绍,对基于叁种散射效应的光纤传感技术理论进行了较为详细的阐述。接着,针对本文要研究的BOTDA光纤传感系统,从受激布里渊散射的理论、传感机理、阈值以及温度和应变与布里渊频移的关系等多个方面做了较为详细的研究,对即将使用的光电器件、数据采集卡性能参数等进行了较为详细的介绍,并据此设计出了本实验的BOTDA传感测量系统方案。根据BOTDA系统基本结构,介绍并分析了影响该系统性能的主要参数指标,包括测量精度、空间分辨率、传感距离、测量时间等。最后,详细介绍了用于激发受激布里渊散射效应的调制脉冲的制作过程,给出了部分FPGA程序示例,同时利用labVIEW和MATLAB相结合的技术,设计出以labVIEW为平台的累加平均和小波变换的数据处理模块,实现了集扫频、采集、信号处理于一体的BOTDA测量控制系统。为验证系统的有效性和数据处理方式的时效性,本文分别进行了基于该实验系统的温度测量实验和分布式测量实验,取得了较好的实验效果,为接下来的系统优化奠定了坚实的基础。
孙士杰[4]2014年在《基于布里渊散射的分布式光纤温度传感器的关键技术研究》文中认为摘要：基于布里渊散射原理的光纤传感技术是一种新型和前沿的分布式光纤传感技术,该技术具有传感距离长、空间分辨率和测量精度高等优点,并且可进行温度和应变的同时测量,因此成为了光纤传感领域的研究热点。本论文以光纤中的布里渊散射为背景知识,在深入学习了基于布里渊散射的光纤传感技术的基础上,着重进行了基于布里渊散射的分布式光纤温度传感器的关键技术的研究,主要内容为：分析了光纤中自发布里渊散射及布里渊散射谱的特性,从理论上研究了布里渊频移和布里渊功率随温度及应力的变化情况。详细介绍了几种不同的基于布里渊散射的光纤传感器的原理特点及应用,包括BOTDR、BTODA、BOFDA,并重点分析了与本课题相关的基于BOTDR的分布式光纤传感系统,包括系统原理、主要参数、性能指标以及国内外在改进性能方面的进展。针对基于直接检测BOTDR系统结构简单、成本低廉的特点,提出了将基于VIPA的高分辨率的光学滤波器应用到光纤布里渊传感器,重点分析了VIPA滤波器的特性,对其做了计算机仿真,并分析了厚度及入射角对其滤波特性的影响。详细论述了用于光纤传感的光电探测器的设计,包括原理、设计方法、提高灵敏度的措施等；以自外差相干检测BOTDR传感实验为基础,分析了布里渊频移与温度的应变关系；设计了基于VIPA滤波器直接检测的BOTDR光纤温度传感系统,介绍了系统中的几个关键部分的功能及选择方法,并给出了实验结果。
梁浩[5]2011年在《基于序列编码探测脉冲的布里渊光纤传感器的研究》文中提出布里渊光纤传感器(BOFS)是一种全分布式的光纤传感器。它可以测量光纤沿线任意位置处的温度和应力信息,因此在桥梁、大坝、隧道、海底光缆等大型建筑结构的健康监测中具有其它传感器不能比拟的优势。其中布里渊光时域反射技术(BOTDR)和布里渊光时域分析技术(BOTDA)是基于布里渊散射的分布式光纤传感技术中的两种主流技术,具有传感距离长、结构相对简单的特点。然而,由于受到光纤损耗以及光纤中的非线性效应的限制,使得BOTDR和BOTDA无法同时满足很多应用场合中对测量精度和测量距离的要求,极大的限制了它们在实际工程中的应用。为此,本论文在深入研究布里渊光纤传感器工作原理的基础上,分析了自发布里渊散射和受激布里渊散射信号的特点,提出采用序列探测脉冲光提高系统信噪比的方法,并探讨了脉冲形状和序列长度对系统空间分辨率、频率测量精度和传感距离的影响,同时结合系统探测器性能对解码方法进行了优化,使得传感器可以在空间分辨率不变的前提下增加传感距离和频率探测精度。本文的主要工作如下：1、针对编码脉冲BOTDR和BOTDA系统信号的特点,提出采用二次采样的方法解决由于采样率和脉冲宽度不匹配造成的时域信号失真的问题。使得基于相关运算的编码方式可以无失真的提高传感系统信噪比。2、提出采用编码增益较高的Hadamard序列刘BOTDR探测脉冲光进行调制,提高系统的信噪比。该编码技术降低了BOTDR系统对光源功率和放大器的要求,不仅可以避免自发辐射噪声降低系统性能而且降低了系统的成本。3、针对BOTDA系统中受激布里渊效应造成的信号失真问题,提出对探测脉冲进行调制时采用用归零(RZ)编码方式代替传统的非归零(NRZ)以降低非线性放大对解码处理造成的误差。从理论和实验上比较了两种编码方式对BOTDA空间分辨率,频率分辨率的影响。实验结果表明,采用RZ方式的编码脉冲光可以避免受激布里渊效应对序列脉冲光的非线性放大造成的信号失真。4、提出用归零(RZ)探测脉冲光编码技术结合差分脉冲方法(DPP)同时提高系统的空间分辨率和频率分辨率以及动态范围。使得BOTDA首次在50km长距离上突破了其最高本征空间分辨率(1m)的限制。
余桥[6]2015年在《多功能分布式光纤传感技术研究》文中进行了进一步梳理分布式光纤传感技术是一种以光纤作为传输介质和传感元件的新型传感技术,能对被测参量进行分布式监测,具有传统机电传感器无法比拟的优势,例如体积小,重量轻,抗电磁干扰能力强,灵敏度高等。基于相位敏感光时域反射的分布式传感技术能对扰动信号进行监测,基于布里渊散射的分布式光纤传感技术能对表征结构健康状态的温度和应变进行监测。但目前分布式光纤传感领域均以单一系统实现上述参量的单一监测,要实现多参量的监测需要多个系统,成本很高,因此需要研究多功能/多参量传感技术。基于自发布里渊散射的分布式传感系统中普通单模光纤的受激阈值较低,容易产生受激现象;另外对于常规的温度和应变双参量同时监测系统中光功率对温度、应变不够敏感,因此测量精度低。本文针对分布式光纤传感技术存在的上述缺陷进行了相关研究,并找到相应解决办法,为分布式光纤传感技术的工程化应用解决了部分难题。本文的主要研究内容有:(1)介绍了光纤中的叁种后向散射光,在此基础上介绍了基于相位敏感光时域反射的分布式光纤传感原理和基于布里渊散射的分布式光纤传感原理,从原理和结构图上说明了用单个系统实现多功能多参量监测的可行性。(2)介绍了分布式光纤传感技术的分类,重点介绍了基于相位敏感光时域反射计的分布式传感技术和基于受激布里渊散射的分布式传感技术,并分析了将两种技术结合在一起实现多功能多参量传感的优点和广阔应用前景。(3)通过综合分析提出了基于相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)和基于受激布里渊散射时域分析仪(BOTDA)的多功能多参量传感方案,根据方案特点给出了各器件的选型和参数的设计;分析了多功能传感方案实现入侵监测时的相邻入侵信号临界分辨问题,通过玻尔兹曼拟合方法在2m空间分辨率下实现了1.23m的双峰分辨精度,同时获得了脉冲宽度与系统能识别的相邻入侵信号最小间距的关系。另一方面分析了多功能传感方案实现应变测量时的应变频移系数,通过洛伦兹拟合得到的应变频移系数与理论值在误差范围内一致,并由此获得该系统在3m空间分辨率下的应变测量精度为3.17??;分析了多功能传感方案测量温度时的温度频移系数,同样利用洛伦兹拟合方法获得系统在3m空间分辨率下的温度测量精度为0.45℃。(4)介绍了特种光纤的种类,重点介绍了保偏光纤、色散补偿光纤和光子晶体光纤的原理以及在光纤传感技术上的应用;研究了普通光纤和高非线性光纤光纤的布里渊散射光谱特征,包括两种光纤布里渊增益带宽,中心频率以及受激布里渊阈值的对比,发现高非线性光纤布里渊增益带宽更宽,中心频率更小,受激布里渊阈值为78m W,比普通单模光纤的7.9m W更高,因此在某些需要用BOTDR系统的场合下可以降低受激布里渊效应对系统性能的影响;通过实验研究得到了高非线性光纤的温度频移系数为0.413MHz/℃,应变频移系数为0.0309MHz/??;基于理论研究与实验验证提出一种基于高非线性光纤的温度和应变双参量测量方案,并给出方案中各器件的选型要求。
朱晓非[7]2016年在《基于相位检测的布里渊分布式光纤振动传感技术研究》文中进行了进一步梳理分布式光纤传感技术由于其测量距离长、抗干扰能力强、铺设方便且维护简单等优点,在光纤传感领域引起了广泛的关注和研究。其中基于布里渊光时域反射(Brillouin optical time domain reflectometry,BOTDR)的光纤分布式传感器,可以实现对光纤沿线应变和温度的传感。目前,此类传感器已经逐步商业化。然而,这些传感器只能对静态的应变和温度进行测量,实时性差,无法对振动信号进行检测。基于布里渊散射的光纤分布式振动传感器,在国内外鲜有报道。本文在查阅国内外文献、调研布里渊分布式光纤传感技术发展现状后,结合布里渊散射光的特点,提出了一种基于相位检测的布里渊分布式光纤振动传感系统设计方案。该系统克服了传统BOTDR分布式光纤传感器不具备动态检测能力这一不足,本文设计的BOTDR系统可以实现对振动信号,即动态应变的传感。本文完成的主要工作有:1、分析了布里渊散射的理论基础,得到了布里渊散射光频率与光纤轴向所受振动信号之间的关系,提出了BOTDR系统的相位检测方法,为本文的系统设计奠定了基础。2、讨论了Golay互补序列的特点以及编码、解码原理。主要分析了编码光脉冲泵浦情况下,系统信噪比、动态范围、布里渊散射光谱宽度和受激布里渊散射光阈值的变化。利用MATLAB仿真软件,进行了编码光脉冲系统响应以及解码过程的仿真。3、对3x3耦合器相位解调方法进行了研究,论述了3x3耦合器相位解调法在BOTDR系统中应用的可行性。着重讨论了相位解调结构中光纤延迟线长度对与BOTDR应变测量范围和系统空间分辨率的限制。推导了算法流程,并进行仿真。4、最后,搭建了基于相位检测的布里渊分布式振动传感实验系统,给出了振动传感实验结果。测试了本系统的动态范围以及空间分辨率。本文提出的BOTDR分布式振动传感系统在5km光纤上实现了频率4Hz以下振动信号,即动态应变的分布式检测。空间分辨率约为25m,对振动信号的采样频率为12.5Hz,动态范围约为12.06dB。
于涛[8]2005年在《分布式光纤应变传感系统设计与研究》文中认为分布式光纤应变传感器是近年来开始研究的新型传感技术,由于它可以感知传输路径上应变、压力的空间分布和随时间变化的信息,分布式光纤传感器在多层建筑、桥梁、水坝、飞行器、压力容器等重大结构与设备方面有重要的应用前景。论文在前人关于非线性光学、布里渊光谱学以及分布式光纤应变传感器的研究基础上,围绕改进系统性能,建立了比较完整的分布式光纤应变传感系统设计的数学建模以及各项参数的计算,为合理的进行系统设计奠定了理论基础。论文研究内容主要包括以下几个方面:(1)首先论述了分布式光纤传感器的国内外研究状况和几种用于检测的基本方法。通过对多种可行的布里渊分布式光纤应变传感技术方案的比较、分析,立足于制造工艺、系统精度和国内外现有元器件,选择了基于受激布里渊散射的分布式光纤应变传感方案。(2)给出了受激布里渊散射光的定量描述,引入布里渊功率阈值的概念。经过定量分析,论证了布里渊散射光与光纤应变、温度呈良好的线性关系,并给出参数计算的过程,为正确应用分布式光纤应变传感系统提供了理论依据。(3)给出了分布式光纤应变传感系统的结构框图,并对传感系统的各个部分进行了讨论,选取了激光器工作波长,完成了两个激光器的驱动电路设计。(4)介绍系统设计过程中几个关键问题的解决,提出对于该系统的一种新的温度补偿方案。完成了部分传感系统实验,为系统的整体实现打下了坚实的基础。
路浩亮[9]2016年在《分布式光纤传感系统数据采集技术的研究》文中研究指明分布式光纤传感技术逐渐引起了国内研究机构的重视,已经在矿区、大坝和电力传输等领域相当多的工程中应用,发展迅速,并产生较好的社会与经济效益。本文首先对光纤中基于瑞利散射、基于拉曼散射和基于布里渊散射的叁种时域分布式光纤传感技术的传感原理进行了分析。并在此基础上详细论述了基于瑞利散射的分布式光纤传感系统。然后对基于小波变换的数据处理算法以及小波去噪理论进行了分析,并使用matlab软件进行仿真,仿真结果显示,小波技术可以大大的提高信号的信噪比,从而提高系统性能。在对分布式光纤传感技术理论分析的基础上,对基于Microsoft Visual C++6.0开发环境和PCI数据采集卡的分布式光纤传感系统数据采集技术进行了研究,并在此基础上搭建了OTDR数据采集系统。对于OTDR数据采集系统我们主要进行了以下工作:首先分析了适合OTDR系统的数据处理算法并进行了代码实现。然后在对Visual C++6.0开发环境和PCI数据采集技术深刻理解的基础上,实现了OTDR数据采集系统各功能模块和瑞利散射曲线实测,具体如下:1数据采集硬件初始化模块使用代码实现了数据采集卡的硬件参数和数据采集初始化配置;2数据采集文件操作模块实现了在Visual C++6.0开发环境下的txt、wav和dat类型数据文件的读取和写入,并可从后端提取数据进行数据分析;3在数据采集的前端界面操作模块实现了横纵坐标、数据采集卡底层硬件、OTDR数据采集系统传感光纤距离定位测试和瑞利后向散射信号强度的协调工作,并使用双缓冲技术实现了数据存储和数据显示之间的配置工作;4通过正弦波对比试验测试了OTDR数据采集系统的系统性能,并使用OTDR数据采集系统定位到了5km和10km传感光纤中的光纤连接点和光纤尾端断点位置。5结合实验结果和编程技术,分析了OTDR系统数据采集的优势和劣势,并给出了关键代码实现。本文结合OTDR数据采集系统和软件编程技术,重点研究了OTDR系统中的数据采集技术,分析了各模块对系统空间分辨率和系统信噪比的影响,使用OTDR数据采集设备和软件技术完成了OTDR数据采集系统的搭建和相关测试实验。
王大鹏[10]2018年在《基于布里渊散射谱的动态应变监测技术研究》文中研究表明分布式光纤传感技术在建筑物安全监测等工程中有着重要意义,本论文通过查阅国内外有关文献,并分析了分布式光纤传感技术后,利用布里渊散射的独特优势,创新的提出了一种新型的基于布里渊散射的分布式光纤温度/应变传感系统,能够把沿光纤分布的温度/应变快速的检测出来。本论文的主要研究内容如下:1.依据光纤布里渊散射原理,推导了布里渊分布式光纤传感理论模型,讨论了自发布里渊散射与受激布里渊散射发生机制的不同,详细探讨了布里渊频移与光纤温度/应变变化的关系,以及布里渊散射光光强与温度/应变变化的关系。并分析了布里渊传感系统主要的性能参数,探讨了影响各性能参数的主要因素,为传感系统设计奠定基础。2.开展了基于布里渊光时域分析(Brillouin Optical Time Domain Analyzer,BOTDA)的分布式光纤传感系统设计,搭建了实验系统,开展了应变测试实验。利用编制的叁维检测软件,实现光纤叁维布里渊频率谱实时采集显示。最后对光纤的布里渊频移量进行应变解调测量输出。实验结果表明,探测光的扫频步进与扫频宽度以及传感光纤长度共同影响着系统测量时间,在叁者处于一定条件下,测得系统完成一次测量时间为40s,空间分辨率为4m。3.针对BOTDA系统由于需要对探测光进行扫频而消耗大量测量时间这一缺点,创新性的提出一种能快速缩短测量时间的基于光自相干的传感新方案。建立了通过自相干光路获得布里渊散射光频率信息的理论模型,详细介绍了与该新方案所匹配的关键结构器件,重点讨论了对瑞利散射光与自发布里渊散射光的分离办法,比较了法布里-波罗(Fabry-Perot,F-P)干涉仪滤波结构、光纤光栅滤波器以及自行设计的马赫-曾德(Mach-Zehnder,M-Z)干涉仪对两种散射光的分离效果。4.结合所设计的自相干光路结构,推导了光外差技术产生布里渊差频信息的理论模型,针对快速检测差频信息的问题,提出采用3×3耦合器进行快速差频信息解调的方法,并且推导3×3耦合器解调频率信息的理论模型,利用MATLAB软件开展了对频率信息进行解调的仿真分析,验证了3×3耦合器能够准确解调信号频率的结论,为传感方案的应变/温度快速解调奠定了理论基础。5.对整个创新型实验系统搭建,利用C++编程语言,编写用户显示界面,对布里渊散射光信号传输曲线进行实时显示。从系统结构上证实了该方法能够实现快速动态的应变/温度监测。
参考文献：
[1]. 基于自发布里渊散射的分布式光纤传感技术的研究[D]. 何玉钧. 华北电力大学. 2001
[2]. 基于布里渊散射的分布传感技术研究[D]. 王立娜. 天津大学. 2009
[3]. 基于BOTDA技术的分布式光纤传感系统的研究[D]. 李嘉琪. 吉林大学. 2017
[4]. 基于布里渊散射的分布式光纤温度传感器的关键技术研究[D]. 孙士杰. 北京交通大学. 2014
[5]. 基于序列编码探测脉冲的布里渊光纤传感器的研究[D]. 梁浩. 南京大学. 2011
[6]. 多功能分布式光纤传感技术研究[D]. 余桥. 东华大学. 2015
[7]. 基于相位检测的布里渊分布式光纤振动传感技术研究[D]. 朱晓非. 电子科技大学. 2016
[8]. 分布式光纤应变传感系统设计与研究[D]. 于涛. 燕山大学. 2005
[9]. 分布式光纤传感系统数据采集技术的研究[D]. 路浩亮. 南昌航空大学. 2016
[10]. 基于布里渊散射谱的动态应变监测技术研究[D]. 王大鹏. 电子科技大学. 2018
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