【摘 要】
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布里渊光时域分析技术（BOTDA）可以一次测量就获得光纤沿线的参量,已经被广泛应用在铁路、天然气管道等的安全监测上,但由于测量时间太长,实际应用受到极大限制。为了实现应变的动态测量,本文首先建立了BOTDA系统理论模型,进行去噪算法及解调算法研究以提升BOTDA系统的测量速度,但无法从根本上解决动态测量问题;本文又对光频梳方案进行理论分析并仿真验证其动态测量能力,同时基于BOTDA系统设计了动态测
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布里渊光时域分析技术（BOTDA）可以一次测量就获得光纤沿线的参量,已经被广泛应用在铁路、天然气管道等的安全监测上,但由于测量时间太长,实际应用受到极大限制。为了实现应变的动态测量,本文首先建立了BOTDA系统理论模型,进行去噪算法及解调算法研究以提升BOTDA系统的测量速度,但无法从根本上解决动态测量问题;本文又对光频梳方案进行理论分析并仿真验证其动态测量能力,同时基于BOTDA系统设计了动态测量的优化方案,极大地提高了BOTDA系统的测量速度,具有动态测量的能力。论文主要内容如下:1、本文通过对布里渊散射形成机制的研究,探析其与应变/温度之间的内在联系。分析BOTDA系统的空间分辨率、测量精度和动态范围等重要评价指标。通过对系统测量时间的研究,分析了限制BOTDA动态测量的因素。2、开展了BOTDA系统去噪算法和解调算法的研究。对高斯滤波算法和小波阈值去噪算法进行理论分析和仿真,对比两种算法对布里渊信号信噪比的提升,以降低系统对平均次数的需求。针对布里渊频移（BFS）的解调算法,分析了洛伦兹算法和BP神经网络算法的原理并进行仿真分析,对比两种算法的解调误差和解调速度,通过优化BFS的解调速度以降低系统测量时间。3、开展了BOTDA系统的实验研究。使用联合滤波方法和BP神经网络算法对传统方案进行优化,在实验中获得了4m的空间分辨率,测量时间为35s,相比传统方案数分钟的测量时间,有一定程度的提升,但仍无法从根本上解决BOTDA系统测量速度慢的问题。4、开展了动态应变传感系统的分析和设计。针对基于数字光频梳的传感方案的动态测量能力,进行理论研究和仿真验证。对自相干外差探测技术和3x3耦合器解调技术进行理论分析,结合两项技术对BOTDA系统进行优化,设计应变的动态测量系统,并在MATLAB上对解调算法进行仿真验证。5、开展了动态应变传感系统实验研究。使用700m光纤进行应变实验,测得空间分辨率为4m,测量时间为1.4s,相比传统方案测量速度有了大幅度提升,具有动态测量的能力。
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