基于拉曼放大的长距离BOTDR传感系统研究

布里渊光时域反射(BOTDR)系统可实现沿传感光纤的全分布式温度和应变传感,然而由于光纤损耗的存在,布里渊信号光在长距离传输后往往会淹没在噪声中,信噪比极低。对此,利用拉曼泵浦对光纤全段布里渊信号的增益效果,研究拉曼放大前后系统在测量距离方面的差异和不同泵浦功率对应的放大曲线。通过实验验证了基于拉曼放大的BOTDR传感系统测量距离可提高至100 km量级;在50 m空间分辨率下,成功实现了光纤末端103 km处的温度测量,获得了2.19℃的测量精度。

基于BOTDR的隧道应变监测研究

布里渊散射光时域反射计 (BOTDR)是近年来才研发成功的分布式应变测量技术。本文首先介绍了BOTDR的优点和测量原理 ,以某隧道的BOTDR应用实例 ,论证了这一技术应用于岩土工程等结构物分布式应变监测的可行性和优势 ,最后就这一技术在应用中的一些关键技术 ,如空间分辨率、光纤布设工艺。

一个新型的基于全光纤Mach-Zehnder干涉仪BOTDR系统

报道了新型的分布式传感测量布里渊光时域反射 (BOTDR)系统 布里渊散射频移和强度均依赖于温度和应变 ,因此 ,BOTDR利用光纤中的自发布里渊散射作为测量信号可以实现分布式温度和应变测量 在BOTDR中 ,光源采用窄谱半导体激光器 ,并由声光调制器调制成脉冲光 ,经掺铒光纤放大器放大后 ,注入测试光纤以产生自发布里渊散射 利用双通Mach Zehnder干涉仪分离光纤背向散射中的自发布里渊散射与瑞利散射信号 ,实现了自发布里渊散射的直接检测 实验结果表明基于全光纤Mach

基于TTDF和CNS算法的多路BOTDR散射谱信息高精度分析研究

传统的BOTDR光纤传感系统采用单路传感光纤实现对信息特征的测量,交叉敏感等不可控因素会使散射谱拟合精度较低,信息分析偏差较大。设计了一种同时对多路传感信息进行检测的BOTDR系统。针对基于布里渊光时域反射(BOTDR)的多路传感散射谱高精度特征提取的要求,提出了一种三次数据融合(TTDF)与布谷鸟牛顿搜索(CNS)相结合的散射谱信息分析方法。该方法利用TTDF对信息数据的融合能力,根据狄克逊准则和格拉布斯准则,剔除了异常值的影响,减小了传感信号的误差;采用布谷鸟牛顿搜索算法进行频谱拟合,不仅通过布谷鸟的智能搜索能力得到全局最优解,而且以该最优解作为牛顿算法的初值进行局部寻优,保证了频谱拟合的精度,提高了布里渊散射谱信息分析的准确度。在温度信息散射谱线性权重比为1∶9的情况下,分析了不同线宽散射谱信息的提取。采用该方法进行多路数据融合的方差约为0.003 0,散射谱的中心频率约为11.213GHz,温度误差小于0.15K。理论分析和仿真结果表明,将此方法用于基于布里渊光时域反射的多路分布式光纤传感系统,可有效提高多路传感信号的准确度和布里渊散射谱信息分析的精确度。

基于BOTDR散射谱的应变提取方法研究

针对布里渊后向散射原理的应变传感系统信号检测方法进行研究,目前该领域信号检测方法普遍存在计算量大,精度不高,耗时大等诸多问题,提出了一种自适应梯度下降算法(Adam算法)对布里渊散射信号进行拟合计算,同时搭建了外差相干检测的布里渊应变测量系统。实验结果表明,用Adam算法拟合散射谱曲线后解调的平均应变误差为24.89με,是高斯-牛顿算法拟合曲线最大应变误差的51.96%,是列文伯格-马夸尔特算法拟合曲线最大应变误差的57.42%;Adam算法拟合散射谱曲线的拟合度佳(0.998 9),均方根误差小(0.110 5)拟合测量的精密度高,而且信号处理时间仅为18.5 ms。研究结果对布里渊散射传感技术高精度数据特征提取提供了理论和实验依据。

管道应力危害BOTDR分布式光纤检测系统

针对长距离地下油气管道因地质沉降导致管道应力破坏的问题,提出了基于布里渊光时域反射(BOTDR)原理的分布式光纤应变检测方法。理论分析了油气管道受地质沉降产生应力变化的检测原理,设计了BOTDR分布式光纤应变检测系统。通过累加平均进行信号降噪处理,同时融合列文伯格-马夸尔特(Levenberg-Marquardt)算法,改善系统测量精度。系统性能进行测试,结果表明,系统检测距离可达10 km,应变最大量程为8 500με,应变测量误差为±46με、重复性测量偏差为±36με,定位误差为±2 m,空间分辨率为1 m,满足对管道沿线受应力危害的预警需求。

基于广义S变换的BOTDR信号包络解调

基于BOTDR的布里渊散射分布式光纤传感器所检测的散射光信号非常微弱,且频带在30MHz左右,本文提出应用广义S变换对散射光信号进行幅度解调。广义S变换同时具有短时傅里叶变换和小波变换的优点。通过仿真和实验数据处理验证,基于广义S变换的解调算法可以有效提取BOTDR信号的包络信息,优于传统的Hilbert变换方法,提高了传感系统的检测性能。

BOTDR应用于滑坡灾害早期预警系统研究进展

详述了BOTDR技术应用于滑坡灾害早期预警系统的前期研究、实际应用论证、光纤铺设、温度补偿、标定以及建立滑坡灾害早期预警系统等基本问题的研究进展。并对其主要的热点技术难题进行总结和展望。

最小二乘法用于BOTDR/BOTDA解调时误差的影响因素研究

为了分析布里渊谱测量时相关因素对布里渊光时域反射计/布里渊光时域分析计(BOTDR/BOTDA)解调误差的影响,首先基于洛伦兹谱形仿真产生了不同参数下的含噪布里渊谱,然后采用基于洛伦兹谱形的最小二乘拟合法计算了不同情况下的布里渊频移误差。计算结果表明:当频率扫描点数固定不变时频率扫描范围不应该选择过大和过小,建议频率扫描范围设置为1.2Δv_(B);当频率扫描范围不变时,布里渊频移误差随频率扫描点数增加而呈指数规律减小;布里渊频移误差随信噪比增加而呈指数规律减小;当频率扫描范围与线宽的比值和频率扫描点数均保持不变时,布里渊频移误差随布里渊线宽增加而近似成正比增大。

Brillouin Scattering Spectrum Analysis Based on Auto-Regressive Spectral Estimation

Auto-regressive （AR） spectral estimation technology is proposed to analyze the Brillouin scattering spectrum in Brillouin optical time-domain refelectometry. It shows that AR based method can reliably estimate the Brillouin frequency shift with an accuracy much better than fast Fourier transform （FFT） based methods provided the data length is not too short. It enables about 3 times improvement over FFT at a moderate spatial resolution.

基于双斜坡法的光纤应变快速测量方法

为了提高基于布里渊散射的光纤应变测量的实时性,将仅根据两个工作点布里渊增益计算布里渊频移的双斜坡法用于光纤应变测量。介绍双斜坡法的基本原理,基于仿真布里渊谱研究左右两侧工作点选择对布里渊频移计算准确性的影响规律,确定最佳的工作点。基于确定的最佳工作点和不同信噪比的布里渊谱,研究信噪比(signal-to-noise ratio, SNR)对双斜坡法和最小二乘拟合法准确性的影响规律。结果表明:双斜坡法的两个工作点围绕光纤沿线布里渊频移的均值对称时误差最小;随两个工作点频率之差的增加布里渊频移误差先减小后增大。相似准确性下双斜坡法的布里渊谱测量时间仅为最小二乘拟合法的约1/30,布里渊频移的计算时间仅约为后者的1/480。

基于多模光纤的分布式应变传感系统光路接口设计

在分布式光纤应变传感系统中,采用的单模传感光缆在实际施工时,由于铺设环境较为复杂,往往会出现巨大的传输损耗影响测试结果。针对现有的BOTDR产品只支持单模传感光缆的情况,提出了一种光路接口,它能使现有的BOTDR产品实现对多模光纤的测量。实验结果表明,该光路接口可以帮助BOTDR实现多模光纤应变测试,实验数据线性良好。该光路接口结构简单,操作方便,对扩大BOTDR的应用领域和提高对复杂铺设环境的适应能力有重大意义。

基于布里渊散射的分布式光纤传感技术

基于布里渊散射的分布式光纤传感技术是目前国内外研究的热点。其中基于时域定位的布里渊分布式光纤传感技术主要分为布里渊光时域反射和布里渊光时域分析两种。国内对基于布里渊光时域反射技术的分布式光纤传感技术的研究报道比较多。介绍了基于布里渊光时域分析技术的分布式光纤传感技术的研究现状,并对基于时域定位的两种传感技术进行了分析对比。总结了布里渊散射分布式光纤传感技术实用化存在的问题及可能的解决方法,指出了该传感技术进一步的发展方向。

基于拉伸装置的光纤应变系数标定及误差分析

在分布式光纤传感系统中,由于生产厂家、材料、掺杂及生产工艺等的不同,传感光纤的折射率、应变系数及温度系数等基本参量各有差异,在投入使用前必须对其进行标定。提出了基于拉伸装置标定光纤应变系数的方法并系统地进行了误差分析。采用G.652单模光纤,针对不同初始长度进行了多次标定实验,标定的应变系数在0.050 2～0.051 2(MHz/με)之间,重复性好。通过BOTDR验证,实测应变值与理论计算结果吻合的得较好。实验结果表明:该标定方法切实可行、易于实现,既可用于对光纤传感系统的标定,也能用于BOTDR在生产过程中的应变校准。

光纤传感器在土木工程健康监测中的发展与应用

结构健康监测系统的关键因素之一是其系统内部的传感元件。光纤传感器的出现并以其优于其他传感器的特点,已经成为结构健康监测系统的首选传感器。本文将简单综述两类光纤传感器———FBG传感器和基于布里渊散射分布式光纤传感器在土木工程健康监测中的发展和最新的应用状况,并对BOTDR测试系统提出改进方案,以实现对平面分布信息的传感。

采用分布式光纤传感技术的煤矿顶板变形实验研究

为研究分布式光纤传感监测技术和传统监测手段的差异以及煤矿开采过程中顶板变形规律,将分布式光纤传感技术(BOTDR)和沉降量多点测量系统应用于煤矿顶板模型实验中进行形变监测研究.制作长为1500 mm、宽为1000 mm、高为1000 mm的类煤矿顶板模型并通过模拟煤矿开采过程进行频移监测实验和沉降量监测实验.提出频移相对变化度和沉降量平均变化度,通过频移和应变关系用频移相对变化度表征形变程度,模拟实验中顶板可监测形变为沉降形变,通过对光纤频移的监测和应变关系得到顶板形变量,并与多点沉降仪监测到的沉降量相对变化度对比.研究结果表明:两者的变化基本一致且频移监测效果更明显,验证了分布式光纤传感技术用于监测顶板变形的可行性与可靠性.

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℃。

基于光相干外差检测的布里渊散射DOFS的研究

对布里渊散射分布式光纤传感器(DOFS)检测原理进行了分析,针对布里渊散射光信号的特点,应用光相干和外差技术来检测布里渊散射光信号 具体采用微波电光调制产生频率可调的参考光,和布里渊散射光进行相干检测,根据布里渊频移特性取出布里渊散射光信号,从而得到分布式传感信号 分别实现了 25km光纤的分布式温度和应变传感,达到 3℃的温度分辨率、100με的应变分辨率和 10m的空间分辨率.

分布式光纤温度传感器的研究现状及趋势

阐述了分布式光纤温度传感技术的研究进展,主要介绍了基于后向瑞利散射、后向拉曼散射和后向布里渊散射的分布式光纤温度传感技术,并在此基础上分析了分布式光纤温度传感器的发展趋势。

分布式光纤布里渊散射温度传感实验系统

提出一种基于布里渊光时域反射计法的分布式光纤布里渊散射温度传感系统 .光源采用窄谱半导体激光器 .声光调制器将光源调制成窄脉冲 ,并由高增益光纤放大器放大 ,产生高功率光脉冲信号 ,提高了自发布里渊散射信号的强度 .采用双通马赫 -曾德干涉仪将布里渊散射从瑞利散射中分离出来 ,在一段 4 .2 5km长的光纤上进行分布式温度传感的实验研究 .双通马赫 曾德干涉仪对瑞利散射进行了很好的抑制 ,得到了比较纯净的随温度变化的布里渊散射信号 .