基于布里渊时域分析的分布式光纤传感入侵定位系统

基于布里渊时域分析(BOTDA)对温度和应变的检测原理,构建了分布式光纤传感入侵定位系统。该系统只检测应变事件位置,不检测温度和应变绝对值,因此简化了BOTDA技术中复杂的频率检测方法。系统以脉冲光作为抽运光,反方向传输的连续光作为探测光。分析表明该入侵定位系统在抽运光产生的布里渊峰值频率小于连续光的频率时具有较高的灵敏度,存在一最佳频率偏移使探测灵敏度最高。当传感光纤所处温度改变时,可以通过调节抽运光频率使系统始终保持最佳的灵敏度。

分布式拉曼放大对布里渊时域分析的负面影响

为研究拉曼抽运源相对强度噪声（RIN）和布里渊慢光对基于分布式拉曼放大（DRA）的远距离布里渊时域分析仪（BOTDA）的负面影响，分别采用解析法和数值法分析了传感光纤中拉曼抽运光、布里渊抽运光和探测光相互作用的振幅耦合模型。对拉曼抽运源RIN传递的研究表明：RIN强度每增加1dB，检测信号信噪比（SNR）降低约1dB；当RIN值小于-135dB时，其影响可忽略不计。对布里渊慢光的研究结果表明：分布式拉曼放大补偿光波线性衰减的同时，增加了由布里渊慢光延迟导致的光学时域反射定位误差。该定位误差使不同扫描频率获取的检测信号时间迹上同一时刻点对应不同的传感光纤空间位置，影响了布里渊谱的三维重构及其布里渊频移的准确提取。

布里渊分布式光纤传感技术进展及展望

布里渊分布式光纤传感技术是目前国际上传感器研究最活跃的热点课题之一。介绍了其传感机理,综述了多年来基于布里渊散射信号的分布式传感技术的研究动态和新进展,分别分析了布里渊时域反射计、布里渊时域分析技术、布里渊相关时域分析技术以及布里渊频域分析技术的基本原理和研究进展,介绍了目前该领域的最新研究成果。简述了需进一步开展的工作及研究方向,并对其未来发展方向进行了展望。

光纤布里渊分布式输电线路覆冰识别技术

本文研究了基于光纤布里渊散射的光纤复合架空地线(Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire,OPGW)覆冰识别技术,在热力学理论推导的基础上,使用Comsol Multiphysics软件对导线温度分布进行有限元仿真分析,最终得出覆冰区段较非覆冰区对环境温度变化迟滞的结论,并根据一段时间内缆线温度变化识别出输电线路覆冰状况。基于研究结果,本文在布里渊时域反射计的基础上设计了一套基于光纤布里渊散射原理的分布式光纤覆冰识别系统,解决传统监测系统电源不足、电磁干扰等问题,并在昭通挂网运行,监测范围达到75 km,温度监测精度达到±2℃。

增益型受激布里渊相移谱宽范围功率特性

相移谱的功率依赖特性对矢量布里渊光时域分析系统的优化设计具有重要意义。对增益型受激布里渊散射(SBS)相移谱进行了建模分析;搭建了外差pump-Stokes系统,在5~90 m W泵浦光功率和5μW^9 m W斯托克斯光功率范围内测量了400 m标准单模光纤的增益型SBS相移谱;分析了Stokes光功率影响增益型SBS相移的机理。结果表明:当固定Stokes光功率时,增益型SBS相移范围与泵浦光功率成良好线性关系;因泵浦耗尽作用的影响,导致当Stokes光功率由5μW上升至8 m W时,增益型SBS相移范围的泵浦光功率灵敏度由1.448(°)/m W下降至1.156(°)/m W。根据理论和实验结果,对增益型VBOTDA系统进行了优化设计分析,为其在长距离和高精度传感领域的发展奠定了基础。

基于布里渊散射光时域分析的温度传感技术研究

为提高布里渊时域分析的传感精度,探寻一种相同条件下传感更为稳定、精确的传感光纤,通过实验得到一种布里渊频移与温度拟合线性度约为1的传感光纤。理论上分析了布里渊散射谱线宽度对温度传感测量精度的影响机制,在布里渊时域分析系统实验中分别以普通单模光纤与非零色散位移光纤(G.655)为传感光纤,测出在一定温度变化范围内标定点的布里渊散射谱线宽度和频移值。实验结果表明,非零色散位移光纤的布里渊散射谱线宽度随温度变化比较稳定,具有较高的传感精度。因此以G.655光纤为传感光纤更利于长距离监测场传感精度的提高。

损耗型矢量布里渊光时域分析光纤传感技术

提出了一种损耗型矢量布里渊光时域分析光纤传感技术,通过构建基于外差检测的模拟实验系统测量受激布里渊散射幅度损耗谱和相移谱,实现了50m传感光纤的温度测量。结果表明,通过测量相移谱获得的布里渊频移与通过测量幅度损耗谱获得的布里渊频移基本一致,且均与温度呈良好的线性关系;由损耗型矢量布里渊光时域分析技术获得的布里渊频移的温度系数为1.16 MHz/℃,与传统布里渊光时域分析技术获得的1.2 MHz/℃具有良好的一致性。根据理论和实验结果,分析了损耗型矢量布里渊光时域分析光纤传感技术的优势。

波长扫描型布里渊光时域反射仪

布里渊光时域反射仪(BOTDR)是一种具有广泛应用前景的分布式光纤传感器。对于特定的入射波长,自发布里渊散射光的布里渊频移与温度和应变成线性关系,通过测量光纤沿线布里渊频移分布可实现温度或应变的分布式传感。布里渊功率谱扫描是BOTDR获取布里渊频移的常用手段,已有光频差扫描与电频扫描两种方式。基于布里渊频移对波长的依赖性,提出一种波长扫描型BOTDR。采用可调谐激光器作为光源,通过扫描入射光波长,来获取布里渊功率谱,该方法兼具光频差扫描与电频扫描的优点。实验证明了该方法的可行性,对23.4km光纤进行测量,实现了5m的空间分辨率与2.2℃的温度测量精度。

基于拉曼放大的零差布里渊光时域反射技术

提出一种基于拉曼放大的零差布里渊光时域反射技术，在长距离分布式光纤传感中实现对温度和应变的快速单端测量。该方法通过拉曼放大提高多峰布里渊峰值功率，实现布里渊拍频峰功率的提升，可有效提高传感系统的信噪比（SNR）和传感距离。通过解拉曼放大的耦合方程，得到同向、反向以及双向拉曼增益，并从理论上导出了前端拉曼抽运系统的布里渊拍频峰的峰值功率分布。以50km的大有效面积光纤为例，在抽运功率为800mW的前端拉曼抽运下，仿真得到2个拍频峰的最低信噪比位于光纤初始端，分别约为26．4dB和21．5dB。光纤末端处2个拍频峰的信噪比分别为70．9dB和46．8dB。结果表明，所提出的方法在不降低测量精度和测量速度的情况下，可使光纤传感的动态范围提高11倍。

单模光纤中受激布里渊散射阈值研究

分析和讨论了受激布里渊散射(SBS)阈值计算的Smith模型和Küng模型,研究了更为准确估算光纤中布里渊散射阈值的方法,通过布里渊增益系数与光纤长度的关系,发现对于较短长度光纤,其布里渊增益系数随着光纤长度变化范围较大,仅在长距离光纤时,布里渊增益系数才可以近似为常数。实验测量了25 km单模光纤的受激布里渊散射阈值,推导出用布里渊时域反射仪(BOTDR)测量受激布里渊散射阈值计算公式,最后用布里渊时域反射仪测量了不同长度光纤受激布里渊散射阈值,实验结果与理论分析吻合。

基于分布式光纤传感技术的智能管道系统设计

布里渊时域分析技术(BOTDA)是近年来研发成功的一种分布式光纤传感技术,已广泛应用于各种结构体和工业设备等的温度、应变检测。开发分布式、实时在线的检测传感系统是管道安全检测的重要目标,文中介绍了分布式传感技术在管道泄漏检测中的具体应用,系统集成方法,通过工程实例研究光纤传感技术的优缺点,总结该传感技术的特点和进一步研究发展的方向,光纤传感技术在管道测漏传感方面具有巨大的优势和广泛的应用前景。

基于测温准确性的BOTDA空间分辨率规范研究

基于布里渊散射的分布式光纤传感技术因能同时监测温度和应变而迅速发展,目前仅少数国家研制了测试布里渊频率偏移量的专用设备——布里渊时域分析仪（BOTDA,Brillouin optical time domain analyzer）.BOTDA测量频谱偏移量的准确性与设备的物理参数——空间分辨率有密切关系,目前对BOTDA空间分辨率尚无明确定义.从测温准确度、信号分析及厂家自定义等角度出发给出4种不同定义,并通过实际测温实验对4种定义方法进行比较.结果表明,对于标称分辨率为0.5m的设备,采用不同定义时得到的空间分辨率在0.5～0.8 m之间变化,其中-3dB带宽定义严谨规范,而测温准确度定义更符合实际应用需要.

光缆线路窃听检测与定位系统研究

分析得出窃听具有两大特征:其一,微量光功率泄漏;其二,弯曲光纤产生异常应变,对此分别提出了检测窃听第一特征的长波长光信号法及检测与定位窃听第二特征的布里渊时域反射法,并综合应用这两种方法设计了光缆线路窃听检测与定位系统,介绍了系统的工作流程。

PPP-BOTDA分布式光纤传感技术及其在试桩中应用

布里渊时域分析技术(brilliouin optical time domain analyzer,BOTDA)是近年来在国际上研发成功的一种分布式光电传感技术,该技术已开始广泛应用于结构体和工业设备等的温度、应变检测。而新一代分布式应变测量技术——脉冲预泵浦-布里渊时域分析(pulse-prepump-brilliouin optical time domain analyzer,PPP-BOTDA),实现了10 cm的空间分辨率和±7.5με的应变测量精度。文中重点介绍了PPP-BOTDA工作原理以及技术验证,并在国内首次将PPP-BOTDA技术应用于管桩桩身应变测量,与同时进行的滑动测微计实测数据进行对比,结果表明PPP-BOTDA可作为一种新型的桩基测试技术加以推广。

瑞利BOTDA系统的2维提升小波降噪方法

为了解决基于瑞利散射的布里渊光时域分析系统(BOTDA)中传感信号受噪声干扰严重的问题,采用2维提升小波变换算法,将测量信号从1维空间转换到2维空间,进行阈值降噪处理。通过理论分析和实验验证,取得了传统小波与2维提升小波降噪数据。结果表明,2维提升小波变换比传统小波变换信噪比提高约10dB,运算量减少了1/3;2维提升小波充分利用测量信号时间上的相关性,变换结构简单、运算速度快、降噪效果优于传统小波,适用于瑞利BOTDA系统降噪。该结果对光纤传感系统中信号降噪的研究有一定参考价值。

分布式光纤技术在覆岩岩层运动监测中的应用

为监测上覆岩层运动,利用BOTDR分布式光纤传感技术,研究了上覆岩层随工作面开采变形破坏运动规律。结果表明:随工作面推进,采空区顶板岩层存在悬臂梁和砌体梁两种形态,呈现旋转沉降和平移下沉两种运动状态;开采初期,采空区中部顶板岩层首先断裂垮落,采空区未垮落的顶板岩层呈现裂纹发育的悬臂梁状态,旋转下沉运动;开采中期,悬臂梁岩块断裂为旋转下沉运动的砌体梁B关键块;开采后期,该岩块破断为平移下沉的砌体梁C关键块。覆岩破坏范围呈现由中央向两侧煤柱移动的规律。

桥梁结构健康分布式光纤测量模型试验研究

在BOTDR光纤应变测量原理分析的基础上,首先进行了桥梁挠度测量的光纤布设研究,通过在桥梁底面采用全面粘贴的方式布设光纤,进行桥梁底面挠度分布式光纤测量;然后,根据布设光纤应变变化分布,对桥梁挠度变化进行了光纤应变定性表征研究;再通过桥梁挠度变化时光纤变形的几何原理分析,进行了光纤应变量化表征桥梁挠度的数学表达式理论分析;最后进行了模拟桥梁挠度变形时BOTDR光纤测量的室内模型试验。结果显示:BOTDR光纤测量得到的桥梁挠度和百分表测量数值基本一致,BOTDR不仅可以表征桥梁挠度变形程度,而且可以精确标定桥梁变形范围和挠度分布,说明BOTDR分布式光纤监测技术进行桥梁挠度测量是有效的和可行的。

用于铁路基础设施综合监测的分布式光纤传感器

基于京沪铁路天津段工程,选取60 m铁路轨道以及轨道附近拱桥,通过基于受激布里渊散射原理的分布式光纤传感器,对铁路基础设施及拱桥进行静态和动态测量,实施健康监测,解决人工监测带来的主观性强、周期长以及实时性差等缺陷。结果表明,通过对仪表扇区列车运行情况的监测,能检测出轨道及拱桥潜在的结构缺陷,为施工提供基础数据。

煤巷顶板分布式光纤监测的可行性试验研究

在传统顶板点式监测的基础上,应用BOTDR对采煤工作面回采巷道煤巷顶板沉降位移进行分布式监测。首先通过对BOTDR监测原理和煤巷顶板变形状态的理论分析,提出应用锚杆(索)在煤巷顶板进行光纤定点布设,并根据BOTDR测量的相邻定点间光纤轴向应变和变形量,推导出光纤应变量化煤巷顶板沉降位移的数学表达式;然后进行煤巷顶板沉降的光纤定点拉伸和区段拉伸室内模拟试验,试验中光纤应变表征的位移与光纤拉伸距离的误差分别为0.690%和1.545%,拉伸距离和应变表征光纤位移基本一致;最后进行了采煤工作面回采过程中进风巷煤巷顶板的BOTDR现场监测试验,试验期间,光纤应变表征出最大沉降位移平均值为64.09 mm和135.63 mm的2个顶板沉降区域。与井下十字观测法测量值相比,顶板沉降变形范围的最大误差为5.60%,顶板沉降位移的最大误差为4.96%,顶板垂直位移的绝对误差值小于4 mm,证明了BOTDR定量表征顶板的沉降变形范围和沉降位移的可行性。

基于分布式光纤传感的海底管线横向屈曲识别方法

针对传统海底管线横向屈曲识别方法无法真实反映海底管线结构状态的问题,本文以含初始缺陷的海底管线作为研究对象,基于分布式光纤传感获得的海底管线分布式结构响应,采用Euler-Bernoulli梁挠曲线计算方法建立管道屈曲位移重构算法,实现了荷载未知情况下海底管线前、后屈曲行为的定量识别。以初始缺陷幅值作为变参数,采用初始缺陷海底管线有限元分析与模型实验验证提出方法的可行性。结果表明:本文基于分布式光纤传感提出的海底管线横向屈曲位移重构算法可定量识别海底管线横向屈曲的产生及发展过程,为解决未知荷载作用下海底管线横向屈曲识别问题提供了一种可行的方法。