布里渊光时域分析动态应变传感技术研究进展

布里渊光时域分析(Brillouin optical time domain analysis,BOTDA)可以实现长距离、分布式、高空间分辨率、高精度的应变传感,在大型基础设施健康监测、飞行器状态监测领域具有广阔的应用前景.然而传统的BOTDA需要扫频,传感速度较慢,难以实现动态应变的测量.针对这一问题,根据工作原理的不同分别综述了斜坡辅助BOTDA(slope-assisted BOTDA,SA-BOTDA)、快速BOTDA(fast BOTDA,F-BOTDA)、免扫频BOTDA(sweep free BOTDA,SF-BOTDA)和基于啁啾泵浦/探测光的动态BOTDA近年来的进展情况,对比了各种技术的优缺点,并对布里渊光时域动态应变传感技术的发展前景进行了展望.

布里渊光时域分析传感器中光偏振控制技术的研究

普通单模光纤的布里渊光频移是光纤温度和应变的函数,可利用布里渊光时域分析(BOTDA)技术来测量光纤各点的温度、应变分布情况。但受激布里渊散射信号在光纤中存在偏振相关性问题,这会影响信号的精度和准确性。本文实验研究正交偏振控制和随机偏振控制技术抑制布里渊光时域分析系统的偏振相关性,优化BOTDA系统的检测性能。

布里渊光时域分析传感器扰偏性能研究

普通单模光纤中存在的偏振效应会对布里渊光时域分析传感器性能产生较大影响。理论分析并实验研究了扰偏器对布里渊光时域分析传感器性能的影响。结果表明,采用扰偏器时光纤末端处的检测信号增益的均方根误差相对于不采用扰偏器时降低约4.26dB,有效地抑制了检测信号的偏振起伏,降低了系统偏振噪声;信号增益提高约1.14dB,降低了信号的偏振相关衰落;布里渊频移的均方根误差降至1.6MHz,提高了布里渊频移的测量准确度。

拉曼放大布里渊光时域分析系统非局域效应

应用包含探测光、布里渊泵浦光及拉曼泵浦光相互作用理论模型,数值分析了基于拉曼放大的长距离布里渊光时域分析仪非局域化特性。结果表明:非局域化随探测光及拉曼泵浦功率增加而恶化;通过频分复用(将具有不同布里渊频移的光纤拼接)及时分复用技术(同时对布里渊泵浦及探测光进行脉冲调制),可有效缩短布里渊泵浦与探测光的作用距离,达到较理想的抑制非局域效应结果。

神经网络在布里渊光时域分析仪温度提取中的应用(特邀)

文章回顾了本研究小组将人工神经网络(ANN)和深度神经网络(DNN)用于提取布里渊光时域分析仪(BOTDA)传感系统中的温度分布信息的研究工作。在对ANN或者DNN模型进行适当的训练之后,沿被测光纤的温度分布信息能够被训练完成的ANN或DNN从实验获得的布里渊增益谱(BGS)中直接提取出来,而不需要像传统的洛伦兹线型拟合(LCF)方法一样先对BGS拟合得到布里渊频移(BFS),再将其转换成温度信息。实验结果展示出了用ANN和DNN进行温度提取的方法相比于用传统LCF方法的优势。

布里渊光时域分析技术在桥梁静载试验中的应用

为了研究桥梁整体的应变分布情况,首次将布里渊光时域分析技术(BOTDA)应用于桥梁的静载试验。文中以某大桥为背景,介绍了桥梁荷载试验中应变光缆和振弦应变计的测点布置,测出在静载工况下桥梁的应变分布情况和0.4L截面的应变值,运用有限元软件MIDAS对检测桥梁进行建模分析计算,通过对比实测值与理论值,对梁体的受力状态进行分析,了解桥梁的应力应变状况。研究表明,BOTDA能够得到桥梁的整体应变分布,其测试数据与振弦应变计、理论计算数据吻合,并能对应变异常点进行精确定位(如本项目中的底板变厚),该技术在桥梁静载试验中具有广阔的应用前景。

基于SVM的布里渊光时域分析系统的温度精确提取

布里渊光时域分析系统因其防雷防爆和分布式传感的优势近年来被广泛研究。采用支持向量机实现了布里渊光时域分析系统中温度信息的提取。在训练阶段利用理想的Voigt曲线作为布里渊增益谱对每个类别的温度值同时进行训练,获得支持向量机模型,并研究不同条件下的布里渊增益谱。结果表明,相比于传统算法,在更大的信噪比、泵浦脉冲宽度、扫频步长范围内,采用支持向量机模型可提高温度提取的精度,同时有效缩减了算法运行时间。

基于布里渊光时域峰值边沿分析的变压器绕组局部热点检测

变压器绕组的温度分布一直是电网运行人员重点关注的对象。与传统传感器相比,分布式光纤传感具有抗电磁干扰能力强、可实现分布式测量等优势,其中布里渊光时域分析技术(BOTDA)的性能稳定,适用于大多数场景,但BOTDA的空间分辨率为m级,难以分辨绕组运行中的局部热点。该文从布里渊散射增益谱的机理入手,利用双峰拟合算法,并结合对异常峰值曲线的边沿分析,提出了一种在不增加系统硬件复杂度的基础上提升BOTDA空间分辨率的方法,以满足局部热点检测要求。通过对光纤沿线不同位置、不同热点长度及不同热点温度下的模拟试验验证了该方法的有效性,在实验室条件下可将准确传感的热点长度提升至原空间分辨率的一半以内。基于变压器实际绕组的局部升温试验,实现了绕组异常热点的精确定位和长度感知,并准确解调了绕组局部热点的温度,进一步验证了该方法的实际可行性和检测优越性,温度相对误差控制在5%以内,为提高变压器绕组温度在线监测的经济性和可行性提供新的思考,同时也为变压器绕组局部故障的提前感知和预警提供了新的思路。

结合布里渊光时域分析和光时域反射计的分布式光纤传感器

对于普通单模光纤的布里渊散射光,其频移是温度或应变的函数,因此通过检测布里渊频移可得到沿光纤分布的温度或应变。但布里渊散射分布式光纤传感器有光时域分析和光时域反射计两种结构,两者具有不同的性能特点和使用场合,在实际传感应用中需要加以选择,用以实现有效的长距离光纤传感。如何在一个系统中融合这两种分布式光纤传感技术,其关键是产生传感所需的频移参考光或探测光。采用光纤激光器作为单一光源,基于微波电光调制产生频移参考光或探测光,并应用正交偏振控制来抑制偏振相关信号衰弱。在同一系统中实现了25 km普通单模光纤的布里渊光时域分析和光反射计,在5 m空间分辨率下达到3℃的温度分辨率。

基于微波电光调制的布里渊光时域分析传感器

针对布里渊光时域分析分布式传感原理和受激布里渊散射的特点,应用微波电光调制分布反馈式半导体激光器产生频移可调的探测光,和传感光纤中相反方向传输的脉冲激励光进行受激布里渊散射作用,当探测光和激励光的频率差在布里渊频移附近时,频移探测光和激励光产生受激布里渊散射,通过改变探测光的频移值,检测探测光功率信号,可得到沿光纤各处的布里渊频移,再利用布里渊频移和应变(或温度)的关系,计算得到沿光纤分布的传感量。设计了基于微波电光调制的布里渊光时域分析传感器实验系统,实现了25km的分布式温度传感,达到5m的空间分辨力和3℃的温度分辨力。

基于布里渊光时域分析传感系统的格雷-差分脉冲混合编码技术

鉴于布里渊光时域分析(BOTDA)传感系统中空间分辨率和传感距离存在相互制约的关系,提出了一种结合格雷(Golay)编码技术与差分脉冲对(DPP)技术的混合编码方法。该方法结合了Golay编码可提高系统信噪比以及DPP可改善系统空间分辨率的优点,相对于Golay-BOTDA的DPP方法能进一步提高系统信噪比,理论上在相同采样次数下信噪比可提升6dB。实验结果表明,采用改进的混合编码可以在25km光纤末端获得1.6m的空间分辨率。同时,与基于Golay-BOTDA的DPP方法相比,在相同的采样次数下系统信噪比提升了4.08dB。

脉冲编码瑞利布里渊光时域分析温度传感技术

瑞利布里渊光时域分析系统(BOTDA)存在信号小、噪声大的问题,会导致系统空间分辨率与信噪比难以同时提高。将脉冲编码技术引入瑞利BOTDA系统,可在不降低空间分辨率的前提下有效地提高系统信噪比和布里渊频移测量精度。分析了瑞利BOTDA温度传感系统的原理,介绍了Golay互补序列的特性,并给出了单脉冲和编码脉冲系统的信噪比表达式;搭建了单脉冲和脉冲编码瑞利BOTDA温度传感系统,测量了单脉冲瑞利BOTDA系统的温度传感特性及脉冲编码瑞利BOTDA系统的空间分辨率和温度测量精度。实验结果表明,由瑞利BOTDA系统获得的布里渊频移与温度呈良好的线性关系,温度系数为(1.109±0.010)MHz·℃-1;当采用10ns脉冲宽度、64bit格雷编码时,在1.77km光纤的加温段上实现了空间分辨率为1m、温度测量精度为1.39℃的传感测量。

基于双向拉曼放大的布里渊光时域分析系统

报道了一种基于双向拉曼放大的布里渊光时域分析系统(Brillouin optical time domain analyzer,BOTDA).利用双向拉曼抽运对信号光进行拉曼放大以补偿光纤损耗及布里渊抽运波的消耗,从而使光纤后端的测量分辨率得到改善,测量分辨率在整段传感光纤趋于一致,同时避免了调制不稳定性引起的频谱扩展,克服了传统BOTDA存在的信号强度指数下降的弊端,使传感精度得到进一步提高.实验实现了50km传感距离,温度分辨率达0.6℃,空间分辨率为50m.实验测量并分析了基于双向拉曼放大的BOTDA信噪比和光功率分布特性.

50km长距离布里渊光时域分析分布式光纤传感器

普通单模光纤的布里渊散射光,其频移是温度或应变的函数,因此通过检测布里渊频移可得到沿光纤分布的温度或应变。长距离布里渊散射分布式光纤传感器有光时域分析和光时域反射计两种结构,虽然布里渊光时域反射计具有单端光信号处理的优点,但其传感长度受限于微弱的自发布里渊散射。而布里渊光时域分析采用的是较强的受激布里渊散射,更具有长距离传感能力。实现布里渊光时域分析的一个关键是产生传感所需的频移探测光。采用线宽小于1 MHz的光纤激光器作为单一光源,基于微波电光调制产生频移探测光,并采用正交偏振控制来抑制偏振相关信号衰弱。实现了50 km普通单模光纤的布里渊光时域分析,在10 m空间分辨率下达到约2℃的温度分辨率。

基于正交偏振控制的布里渊光时域分析长距离分布式光纤传感器

对于普通单模光纤的布里渊散射光,其频移是温度或应变的函数,因此通过检测光纤散射光信号的布里渊频移率,即可得到沿光纤一维分布的温度或应变。布里渊光时域分析(BOTDA)仪适合于长距离分布式传感,但存在受激布里渊散射信号的偏振相关性问题,会造成探测信号随偏振状态的随机波动,因此难以得到稳定的布里渊光频移信息。采用正交偏振控制对参与受激布里渊散射的激励和探测光信号进行偏振处理,抑制了受激布里渊散射的偏振相关性,通过检测探测光信号得到了布里渊散射光频移。最后实现了25 km普通单模光纤的分布式传感,在5 m空间分辨率下分别达到2℃的温度分辨率和30με应变分辨率。

基于随机分布式反馈光纤激光器的100km布里渊光时域分析系统

将波长为1 366nm光纤拉曼激光器泵浦产生的1 455nm随机分布反馈(RDFB,radom dis-triduted feedback)激光作为1 550nm的布里渊光时域分析(BOTDA)传感信号的二阶泵浦和放大,从而延长传感距离,实现长距离的温度检测。实验结果表明,系统的传感距离可达到100km,空间分辨率达到±4m。

瑞利布里渊光时域分析系统传感性能的提升方法

将多波长激光光源技术引入瑞利布里渊光时域分析系统,其中抑制载波的微波调制多波长脉冲基底1阶边带会在传感光纤中产生多波长背向瑞利散射;将该散射光作为探测光与多波长传感脉冲发生受激布里渊散射(SBS)作用,可有效地提高光纤SBS阈值和SBS作用效率,进而提高系统信噪比和布里渊频移的测量精度。分析了相位调制器产生多波长激光光源的原理以及利用电光强度调制器产生作为探测光的多波长斯托克斯和反斯托克斯激励光的原理,建模分析了多波长瑞利布里渊光时域分析系统原理,给出了系统信噪比与波长数关系的表达式;搭建了单波长和三波长光纤SBS阈值测量系统及瑞利布里渊光时域分析系统,测量了光纤的SBS阈值和系统性能。实验结果表明,当单波长与三波长瑞利布里渊光时域分析系统的传感脉冲宽度为100ns,峰值功率为100mW,单个波长的脉冲基底功率约为1.3mW,传感光纤长度为2.4km时,三波长较单波长系统的光纤SBS阈值和信噪比分别提高了3倍和2.83倍,在2km光纤内布里渊频移波动由33.4 MHz降至15.6 MHz。

光脉冲编码对基于拉曼放大的布里渊光时域分析系统的影响

报道了光脉冲编码对基于拉曼放大的布里渊光时域分析系统(BOTDA)的影响.实验表明,光脉冲编码能够在保证较高空间分辨率的同时减小布里渊频移的不确定性.实验实现了49.6km传感距离,在整段传感光纤上温度分辨率1℃,空间分辨率2.5m.本文实验测量并分析了系统的信噪比和光功率分布特性.

布里渊光时域分析系统性能提高方法综述

布里渊光时域分析(BOTDA)系统的空间分辨率、传感距离、测量精度和测量时间等参数存在着相互制约的关系,如何改善BOTDA系统性能一直是分布式光纤传感领域的研究热点。系统传感距离及测量精度等指标均与系统信噪比密切相关,因此提高系统信噪比并兼顾空间分辨率对改善系统性能至关重要。综述了提高BOTDA系统性能的相关技术方法,这些技术在不同程度上延长了系统的传感距离、提高了系统的测量精度,使BOTDA系统能够更符合实际工程的需要。在分析了上述技术存在的问题后,对未来的研究进行了展望。

基于布里渊光时域分析分布式光纤漏油传感器

研究了一种新型基于布里渊光时域分析(BOTDA)的光纤漏油传感器,可在min量级发现小规模漏油事件,主要用于长距离输油管线、油库等场所的实时漏油监测。通过模拟监测输油管道输运状态,将光纤埋敷于特种油敏材料中沿输油管线铺设,用BOTDA仪实时监测光纤布里渊频移,可快速发现并定位漏油事件。实验证明了本文技术的可行性,能够在10min内准确定位小规模漏油事件,采用DiTeStSTA-R系列BOTDA仪,在1.7km的传感光纤上实现了0.1m的定位精度。