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基于差分脉冲对和二阶拉曼放大的光纤传感器研究

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基于差分脉冲对和二阶拉曼放大的光纤传感器研究

作者：李超西南交通大学

学位级别：硕士

分布式光纤传感技术由于其独特的优点,越来越受人们的重视,并且它的实用化程度也会越来越高。长距离分布式传感器因为其超长的测量距离和不错的空间分辨率与温度应变分辨率,在很多工程领域有着丰富的应用,而提高系统的性能,减少误差成... 详细信息

分布式光纤传感技术由于其独特的优点,越来越受人们的重视,并且它的实用化程度也会越来越高。长距离分布式传感器因为其超长的测量距离和不错的空间分辨率与温度应变分辨率,在很多工程领域有着丰富的应用,而提高系统的性能,减少误差成为了推进分布式光纤传感技术进一步发展的关键。本文围绕着布里渊光时域分析(BOTDA)系统,分别从提高空间分辨率和延长测量范围两个方面进行了研究。首先研究了适合长距离分布式光纤传感器的脉冲选择,并分析了不同脉冲宽度选择对差分脉冲对方法的影响,其中关键因素是较短的脉冲会与声子相互激励,影响布里渊增益的大小;然后通过实验实现了相干检测和58ns/60ns的差分脉冲对相结合的布里渊光时域分析传感器(BOTDA),并进行了热点检测,可以在1Okm的测量范围内达到20cm的空间分辨率。最后,针对二阶拉曼放大系统进行了数值模拟和仿真验证,与Sonia Martin-Lopez等人的实验结果相对比,它可以提供沿传感光纤更均匀损耗补偿。研究结果表明：第一,适合长距离光纤传感器的差分脉冲对的选择是38ns/40ns到58ns/60ns之间的脉冲对组合,既可以有效的避免声子衰减的影响,又可以尽量的减少测量所需的时间。通过实验实现了20cm的空间分辨率的差分脉冲BOTDA系统,差分脉冲方法可以有效的提高空间分辨率,不过会造成测量的时间加倍,并且对器件的测量精度和消光比等性能要求比较高。第二,利用二阶拉曼放大系统可以在100km的测量范围内有效的进行损耗补偿,实现均匀的测量;利用光纤末端的温度热点验证系统性能,仿真实现了100km测量范围、20cm的空间分辨率和40C的温度分辨率。

关键词：分布式光纤传感器受激布里渊散射差分脉冲对二阶拉曼放大

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

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光学学报 2016年第8期36卷 32-37页

作者：罗源闫连山邵理阳李宗雷潘炜罗斌西南交通大学信息光子与通信研究中心四川成都611756

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... 详细信息

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。

关键词：光通信布里渊光时域分析差分脉冲对 Golay编码光脉冲编码

基于布里渊增益-损耗效应的编码DPP-BOTDA传感器

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激光与光电子学进展 2023年第9期60卷 417-422页

作者：刘钦黄劲梁浩程凌浩暨南大学光子技术研究院广东广州510632

受光纤中声学声子10 ns的寿命的影响,传统布里渊光时域分析(BOTDA)传感器往往不能做到1 m以内的空间分辨率。利用差分脉冲对(DPP)技术可以突破该限制,实现更高的空间分辨率。但是传统的DPP技术存在测量时间长、差分信号间同步难度高和... 详细信息

受光纤中声学声子10 ns的寿命的影响,传统布里渊光时域分析(BOTDA)传感器往往不能做到1 m以内的空间分辨率。利用差分脉冲对(DPP)技术可以突破该限制,实现更高的空间分辨率。但是传统的DPP技术存在测量时间长、差分信号间同步难度高和信噪比低等问题。本文提出一种基于布里渊增益-损耗效应的编码DPP-BOTDA系统,通过将处于斯托克斯频率和反斯托克斯频率的泵浦脉冲光同步注入光纤,利用散射光的布里渊增益-损耗效应在光路上差分,解决了信号间的同步问题,并且测量时间只需要传统DPP技术的一半。还分析了传感系统中掺铒光纤放大器增益特性对脉冲序列解码结果的影响,对增益不均匀条件下的编码增益进行了理论计算。实验结果表明,该系统可以实现50 cm的空间分辨率,与传统的单脉冲DPP-BOTDA系统相比,信噪比提高了3 dB。

关键词：传感器光纤传感器布里渊散射差分脉冲对光脉冲编码

基于布里渊增益-损耗效应的编码DPP-BOTDA传感器的研究

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基于布里渊增益-损耗效应的编码DPP-BOTDA传感器的研究

作者：刘钦暨南大学

学位级别：硕士

布里渊光时域分析(BOTDA)技术基于光纤中的受激布里渊散射效应,利用散射光频移与温度和应力的线性关系进行传感,在桥梁、隧道、铁轨、高压电线、海底光缆等大型建筑结构的健康监测中有着巨大的优势。然而,受到光纤材料中声学声子寿命及... 详细信息

布里渊光时域分析(BOTDA)技术基于光纤中的受激布里渊散射效应,利用散射光频移与温度和应力的线性关系进行传感,在桥梁、隧道、铁轨、高压电线、海底光缆等大型建筑结构的健康监测中有着巨大的优势。然而,受到光纤材料中声学声子寿命及光路系统中光电器件性能的影响,BOTDA传感技术的空间分辨率和传感距离,频率分辨率等性能参数存在相互制约的关系,无法满足实际工程场景中的测量要求。利用时域差分脉冲对(DPP)技术可以获得厘米量级的空间分辨率,但是传统的差分技术需要耗费双倍的测量时间,并且在数据处理过程时需要将散射光的时域信号同步后进行差分,该过程会降低系统的信噪比(SNR),不利于长距离传感。本文提出一种基于布里渊增益-损耗效应的编码DPP-BOTDA系统,通过将处于斯托克斯频率和反斯托克斯频率的泵浦脉冲光同步注入光纤,利用散射光的布里渊增益-损耗效应在光路上差分,实现厘米量级的空间分辨率,并通过编码增益实现传感器信噪比的提升。本论文做了以下研究工作:1、研究了掺铒光纤放大器(EDFA)增益不均匀对传感器解码结果的影响,对增益不均匀条件下的编码增益进行了理论计算。提出在基于增益-损耗效应DPP-BOTDA传感系统中,采用Simplex码对泵浦脉冲光进行编码,搭建该系统进行温度传感实验,对不同编码长度下得到测量结果的信噪比情况进行了对比;利用32位55/50 ns差分序列脉冲对在1km光纤中获得50 cm空间分辨率,与传统的单脉冲DPP-BOTDA系统相比,SNR提升了3 d B。2、研究了光纤中布里渊增益和损耗同时存在过程中的相干反斯托克斯效应。并搭建双泵浦BOTDA系统进行实验验证。实验结果表明,与单泵浦BOTDA系统进行了对比,使用双泵浦结构可以减缓高频泵浦脉冲光的消耗速度,避免光纤中增益饱和引起的频谱失真。

关键词：分布式光纤传感受激布里渊散射差分脉冲对光脉冲编码增益饱和

基于BM3D算法的分布式布里渊光纤传感系统高保真降噪技术研究

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基于BM3D算法的分布式布里渊光纤传感系统高保真降噪技术研究

作者：李家伦华中科技大学

学位级别：硕士

桥梁等大型基础设施覆盖范围广且所处环境复杂,全时结构健康监测对它们的安全运行非常重要。分布式光纤传感具有抗电磁干扰、高带宽等许多优点,是实现高精度结构健康监测的理想选择。其中布里渊光时域分析仪(BOTDA)由于能够对温度和应... 详细信息

桥梁等大型基础设施覆盖范围广且所处环境复杂,全时结构健康监测对它们的安全运行非常重要。分布式光纤传感具有抗电磁干扰、高带宽等许多优点,是实现高精度结构健康监测的理想选择。其中布里渊光时域分析仪(BOTDA)由于能够对温度和应力进行长距离、高分辨率的分布式测量而受到关注。然而,光纤损耗以及来自器件的噪声制约了BOTDA的信噪比(SNR),导致系统性能受限。SNR的恶化在高空间分辨率以及信号平均次数较少的情况下尤为明显。数字降噪技术由于无需增加系统复杂度,因此是一种增强SNR的低成本方案。但是非局部均值滤波和小波降噪等传统算法会引入较大的信号失真。因此研究高保真数字降噪技术对于提升高空间分辨率、快速测量BOTDA的SNR具有重要意义。本文针对高空间分辨率的差分脉冲对BOTDA(DPPBOTDA)和基于正交频分复用的无扫频BOTDA(IM-DD-OOFDM BOTDA)的信噪比受限问题,提出了基于块匹配三维滤波算法(BM3D)的高保真降噪技术。具体工作如下:(1)总结了BOTDA中噪声的来源和特点。在BOTDA中,短传感距离时需要考虑拍频噪声和散粒噪声,长传感距离下需要考虑白噪声,超长传感距离时还需要考虑双重瑞利散射噪声。对于DPP-BOTDA和IM-DD-OOFDM BOTDA,主要噪声为白噪声。(2)针对DPP-BOTDA,采用BM3D算法对50/47 ns、50/45 ns和50/43 ns三种脉冲对情况下的差分布里渊增益谱进行降噪,优化算法参数获得最佳降噪效果。对于这三种情况,当SNR均提升9 d B时,温度的不确定度降低至0.79℃、0.36℃和0.24℃,而降噪后的实验空间分辨率仅退化了0.08 m、0.05 m和0.04 m。(3)针对IM-DD-OOFDM BOTDA,采用BM3D算法对布里渊增益谱(BGS)和相位谱(BPS)同时降噪。当噪声的标准差为0.05 m V时,降噪后BGS和BPS的SNR分别提高了9.2 d B和7.8 d B,布里渊频移的不确定度分别降低到0.86 MHz和0.80 MHz。对于不同的噪声水平,降噪后BGS和BPS的平均SNR提高到了16.8 d B和15.6 d B,布里渊频移的不确定度降低到1.2 MHz以下,结果表明算法在降噪上具有较高的鲁棒性。

关键词：分布式光纤传感布里渊光时域分析仪高保真降噪块匹配三维滤波差分脉冲对正交频分复用

光脉冲码调制对布里渊光时域分析传感的影响和分析

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光脉冲码调制对布里渊光时域分析传感的影响和分析

作者：罗源西南交通大学

学位级别：硕士

布里渊光时域分析(Brillouin Optical Time Domain Analysis,BOTDA)是一种分布式传感技术,可以测量光纤上每一点的温度和应力,因此在桥梁、大坝、油气管道和铁路的健康监测上具有显著优势。为了提高BOTDA在长距离监测中的信噪比,研究者... 详细信息

布里渊光时域分析(Brillouin Optical Time Domain Analysis,BOTDA)是一种分布式传感技术,可以测量光纤上每一点的温度和应力,因此在桥梁、大坝、油气管道和铁路的健康监测上具有显著优势。为了提高BOTDA在长距离监测中的信噪比,研究者们提出了很多方法,本文主要研究其中的编码技术。通过对受激布里渊放大过程的研究,从理论上分析了编码技术对BOTDA的影响,并通过仿真和实验深入研究了编码对信噪比的改善作用。为进一步提高空间分辨率和系统信噪比,研究了一种新的混合脉宽编码方案,并在理论上和实验上得到了验证。首先介绍了BOTDA的传感原理,研究了受激布里渊散射的发生原理,并在MATLAB中建立BOTDA仿真模型。介绍了一种提高空间分辨率的最常用方法,即差分脉冲对技术(Differential Pulse-width Pair,DPP),并且在理论上进行了推导,最后在仿真和实验中进行了验证。其次,介绍了基于BOTDA的常用三种编码技术Simplex、Hadamard和Golay,对三种编码技术进行了理论推导和仿真验证,同时对比分析了这三种编码方式的性能,并通过实验验证了Golay编码效果。接着,为了进一步提高BOTDA系统性能,在采用差分脉冲对(DPP)技术基础上提出与双极性编码结合的混合脉宽编码方法,通过仿真发现其信噪比相比原始方法提高4倍。还搭建BOTDA系统平台对提出的混合脉宽编码方法进行实验验证。实验结果表明,混合脉宽编码方法能有效提升BOTDA系统的信噪比。最后,利用数字图像处理方法对BOTDA实验结果进一步优化,并比较了两种常用的数字图像算法,即高斯算法和非局部平均算法,验证了数字图像算法对信噪比的提升。

关键词：布里渊光时域分析光脉冲编码差分脉冲对混合脉宽编码数字图像处理

BOTDA事件区定位算法与识别事件区厘米级变化的研究

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BOTDA事件区定位算法与识别事件区厘米级变化的研究

作者：陈欢太原理工大学

学位级别：硕士

布里渊光时域分析(Brillouin optical time domain analysis,BOTDA)技术利用光纤中的受激布里渊散射(Stimulated Brillouin scattering,SBS)进行温度、应变的测量。该技术具有信噪比高,测量精度高,传感距离长的优点。在面向实际应用的... 详细信息

布里渊光时域分析(Brillouin optical time domain analysis,BOTDA)技术利用光纤中的受激布里渊散射(Stimulated Brillouin scattering,SBS)进行温度、应变的测量。该技术具有信噪比高,测量精度高,传感距离长的优点。在面向实际应用的过程中,为了能够准确定位出传感光纤的事件区,本文提出了一种自适应阈值定位算法,用于处理时序信号,从而实现对光纤事件区的准确定位并解调。同时为了进一步提高BOTDA系统对光纤加热区发生微小长度变化的识别能力,本文提出了一种利用探测光强度解调加热区长度变化的方法。本论文的具体研究工作如下:(1)提出了一种基于BOTDA的自适应阈值定位算法,来实现对传感光纤事件区的定位。首先,通过分析三维布里渊增益谱(Brillouin gain spectrum,BGS)的特点,提出了自适应阈值算法的实现原理。其次,理论分析造成差分后时序所表征的光纤事件区位置偏离实际位置的原因,以及差分后光纤事件区位置偏离实际位置具体大小的计算方法。最后利用所提出的自适应阈值定位算法处理60 ns、55 ns脉冲对采得的实验数据,结果表明该算法可以实现对光纤应变区的定位和补偿,解调出的光纤应变区长度与实际长度基本一致。(2)提出一种利用探测光强度识别光纤加热区长度变化的方法,实验上可以监测到加热区厘米量级的长度变化。首先,分析了脉冲光脉宽空间分辨率远大于光纤加热区长度时,在三维BGS上识别不出光纤的加热区长度以及加热区温度大小的原因,通过比较光纤加热区与非加热区的BGS进一步证明探测光的增益大小与光纤长度密切相关。其次,推导出在宽脉宽的脉冲光下得到的加热区探测光幅值会随着光纤加热区长度的增加而增大,并满足指数增长的关系。进一步推导出在光纤加热区长度发生微小变化时,两者之间的关系近似满足线性增长。然后进行了仿真模拟,验证了宽脉宽的脉冲光得到的探测光强度与加热区长度满足指数增长的关系,以及当加热区发生微小长度变化时探测光强度与加热区长度近似满足线性增长。最后,在100 m长的光纤上用50 ns脉宽的脉冲光实现了对光纤加热区长度变化5 cm、1 cm的识别,结果表明利用该技术可以实现对光纤加热区长度变化的分辨,可以有效提高系统的空间分辨率。

关键词：分布式光纤传感布里渊光时域分析布里渊增益谱空间分辨率差分脉冲对自适应阈值定位探测光强度解调