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利用寻极大值法实现布里渊光时域反射技术频移快速定位及空间分辨率增强

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光学学报 2023年第14期43卷 75-84页

作者：黄秋茗陈映恺刘鑫煜陈理平高波付林林李拥政郭林峰徐小敏南京信息工程大学物理与光电工程学院江苏南京210044 江苏省大气海洋光电探测重点实验室江苏南京210044 中铁(上海)投资集团有限公司上海200126 南京地铁建设有限责任公司江苏南京210019 中铁隧道集团二处有限公司河北廊坊065200 中铁三局集团华东建设有限公司江苏南京211153 剑桥大学工程系英国剑桥CB21PZ

提出一种基于布里渊光时域反射(BOTDR)系统的寻极大值法,在快速傅里叶变换(FFT)和短时傅里叶变换(STFT)的基础上,实现了频移的快速定位及系统空间分辨率的增强。对时域信号进行FFT处理,利用寻极大值法判断是否存在温变或应变信息,再通... 详细信息

提出一种基于布里渊光时域反射(BOTDR)系统的寻极大值法,在快速傅里叶变换(FFT)和短时傅里叶变换(STFT)的基础上,实现了频移的快速定位及系统空间分辨率的增强。对时域信号进行FFT处理,利用寻极大值法判断是否存在温变或应变信息,再通过逐级选取对应长度的时域信号来确定温变或应变频移发生的位置范围;对时域信号进行STFT处理,构建三维布里渊增益谱,通过寻极大值法构建布里渊频移分布来检测短距离温变或应变,从而提高系统空间分辨率。在实验中,利用基于等分FFT的寻极大值法,对2 km待测光纤中130 m段加热光纤的位置范围进行快速定位,系统运算时间缩短到原来的1/8。同时在设置探测光脉冲宽度为100 ns的条件下,利用基于STFT的寻极大值法,在2 km待测光纤上检测到0.6 m光纤长度的温度变化,实现了亚米级别的空间分辨率。与传统BOTDR系统相比,基于寻极大值法的STFT-BOTDR系统提高了实际应用中的检测速度与空间分辨率,工程实用性得以提高。

关键词：光纤光学布里渊光时域反射短时傅里叶变换寻极大值法定位空间分辨率

一种利用布里渊增益谱边带解调提高布里渊光时域反射系统测温精度的方法

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物理学报 2016年第24期65卷 66-77页

作者：刘瑞霞张明江张建忠刘毅靳宝全白清李哲哲新型传感器与智能控制教育部重点实验室太原030024 太原理工大学物理与光电工程学院光电工程研究所太原030024 煤与煤层气共采国家重点实验室晋城048000

测温精度是衡量分布式光纤温度传感系统的一项重要性能指标.本文提出一种通过解调布里渊增益谱边带,以提高布里渊光时域反射仪测温精度的方法.在此基础上,进一步分析并验证了探测光脉冲峰值功率对测温精度的影响.理论分析表明,利用声光... 详细信息

测温精度是衡量分布式光纤温度传感系统的一项重要性能指标.本文提出一种通过解调布里渊增益谱边带,以提高布里渊光时域反射仪测温精度的方法.在此基础上,进一步分析并验证了探测光脉冲峰值功率对测温精度的影响.理论分析表明,利用声光调制器的频移特性可产生布里渊增益谱边带,相比于中心峰解调方法,采用布里渊增益谱边带解调法可获得更高的系统信噪比,进而提高系统测温精度.实验结果表明,在相同测量条件下,布里渊增益谱左边带峰值功率较其中心峰峰值功率高3.27 dB,且其-1 dB谱宽比中心峰窄14.5 MHz.对布里渊增益谱左边带进行频率扫描,由于相干探测时参考光的作用以及消除了相干瑞利噪声的影响,系统信噪比提高了4.35 dB,并在10.2 km的传感距离上实现了±0.5?C的测温精度.

关键词：布里渊光时域反射布里渊增益谱边带峰值功率测温精度

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布里渊光时域反射仪的软件设计与实现

布里渊光时域反射仪的软件设计与实现

作者：张超南京大学

学位级别：硕士

分布式光纤传感技术不仅具有抗辐射、抗电磁干扰、稳定性好等光纤传感技术的优点,而且具有可利用普通通信光纤进行分布式监测的特点,在工程结构的安全监测中得到越来越多的应用。其中,基于布里渊效应的光时域反射(BOTDR)技术由于具有大... 详细信息

分布式光纤传感技术不仅具有抗辐射、抗电磁干扰、稳定性好等光纤传感技术的优点,而且具有可利用普通通信光纤进行分布式监测的特点,在工程结构的安全监测中得到越来越多的应用。其中,基于布里渊效应的光时域反射(BOTDR)技术由于具有大的监测范围、较高的测量精度及可测量光纤上任意位置处的应变、温度和损耗等信息的特性,在全世界范围内引起了广泛的关注。本论文从理论和实验两方面对布里渊光时域反射传感技术做了研究分析,并在此基础上利用软件实现了对数据的处理及系统相关操作功能。该软件系统将人机交互、数据采集等任务分别交由监测计算机和下位机来完成。监测计算机的应用软件在虚拟仪器开发平台--LabVIEW上完成,实现友好的人机交互、简单直观的控制、安全可靠的监测等功能。下位机由光电部件控制模块、微波扫频模块、信号增益控制模块和数据采集模块等组成,上位机监控系统通过相应的接口对BOTDR的光路和电路进行实时控制以及数据采集,为系统提供强大的数据采集功能。该软件以模块化设计理念为主导,提出BOTDR的软件系统设计方案,使其既可实现对光路和电路的高精度实时控制,又可实现系统运行状态实时监控。采用本论文设计的基于布里渊光时域反射技术的软件,实现了11公里长度光纤的温度和应变测量,给出了实测数据并进行了分析处理。结果表明,系统工作稳定安全,达到预期设计要求。

关键词：分布式光纤传感布里渊光时域反射数据拟合算法应变测量

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布里渊光时域反射光纤传感技术若干问题研究

布里渊光时域反射光纤传感技术若干问题研究

作者：赵晓东南京大学

学位级别：硕士

布里渊光时域反射(Brillouin Optical Time Domain Reflectometry, BOTDR)是一种快速发展、具有蓬勃活力的光纤传感技术,可用于获取分布式温度与应变信息,具有广泛的应用前景。自BOTDR问世以来,众多研究者在基础理论与工程应用两方面均... 详细信息

布里渊光时域反射(Brillouin Optical Time Domain Reflectometry, BOTDR)是一种快速发展、具有蓬勃活力的光纤传感技术,可用于获取分布式温度与应变信息,具有广泛的应用前景。自BOTDR问世以来,众多研究者在基础理论与工程应用两方面均取得了显著的成果,成为光纤传感领域的研究热点。本学位论文对BOTDR中的若干问题进行了研究与探索。论文阐述了BOTDR的传感机理,然后详细说明了探测自发布里渊信号时所得电信号的特征,并探讨了不同探测方式时相应平均方式对功率曲线的影响。分析了BOTDR系统的空间分辨率、布里渊频移测量精度和动态范围等性能参数。通过引入能量权重曲线的概念,确定了DFT-BOTDR系统中布里渊频移曲线上升沿的计算公式,说明了窗函数的作用。研究了两种脉冲光调制方式对BOTDR探测所得功率谱的影响,实验验证了脉冲光消光比与BOTDR系统信噪比之间的关系。论文还提出一种波长扫描型BOTDR,它结合了光频差扫描与电频扫描的优点,实验验证了该方法的可行性。

关键词：布里渊光时域反射布里渊频移空间分辨率布里渊频移测量精度信噪比波长扫描

布里渊光时域反射系统中布里渊散射信号的前向和后向拉曼放大研究

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中国激光 2014年第12期41卷 142-147页

作者：毕卫红杨希鹏李敬阳付兴虎付广伟燕山大学信息科学与工程学院河北秦皇岛066004 河北省特种光纤与光纤传感重点实验室河北秦皇岛066004

由于布里渊光时域反射(BOTDR)系统中布里渊散射信号非常微弱,常常导致传感距离受限,进而影响系统的信噪比和测量精度。因此,提出对BOTDR系统中布里渊散射信号的前向和后向拉曼放大进行研究。实验结果表明,后向抽运拉曼放大的受激布里渊... 详细信息

由于布里渊光时域反射(BOTDR)系统中布里渊散射信号非常微弱,常常导致传感距离受限,进而影响系统的信噪比和测量精度。因此,提出对BOTDR系统中布里渊散射信号的前向和后向拉曼放大进行研究。实验结果表明,后向抽运拉曼放大的受激布里渊散射(SBS)阈值要比前向抽运的高;当抽运功率为700mW时,前向抽运放大增益可达13.78dB,随后出现二阶布里渊散射谱线,使得放大增益开始下降;当抽运功率为1000mW时,后向抽运放大增益可达16.33dB,随后放大增益仍有增长的趋势,有利于对布里渊背向散射信号持续放大。

关键词：光纤光学拉曼放大布里渊光时域反射受激布里渊散射

光时域布里渊分布式光纤动态应变传感技术研究进展

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激光与光电子学进展 2024年第13期 121-133页

作者：韦若雪刘戈陆杭林邵来鹏唐剑胡君辉广西师范大学物理科学与技术学院

布里渊分布式光纤传感技术可以实现分布式、长距离、高精度的温度或应变传感，在大型基础设施安全监测方面具有广泛的应用前景。传统的布里渊光时域分析技术（BOTDA）和布里渊光时域反射技术（BOTDR）由于需要通过扫频测量布里渊增益谱... 详细信息

布里渊分布式光纤传感技术可以实现分布式、长距离、高精度的温度或应变传感，在大型基础设施安全监测方面具有广泛的应用前景。传统的布里渊光时域分析技术（BOTDA）和布里渊光时域反射技术（BOTDR）由于需要通过扫频测量布里渊增益谱进而获得布里渊频移，测量过程较为耗时，难以胜任动态应变的测量。针对这一问题，学者们提出了多种解决技术方案并取得了很好的研究成果。本文对光时域布里渊分布式光纤动态应变传感技术的研究进展进行了详细综述，包括斜坡辅助布里渊光时域分析技术（SA-BOTDA）和布里渊光时域反射技术（SA-BOTDR）、捷变频BOTDA/R技术、啁啾链BOTDA/R技术和光频梳BOTDA技术等。

关键词：分布式光纤传感布里渊散射动态应变布里渊光时域反射

基于相关序列脉冲的布里渊光时域反射测量系统解码方法研究

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光学学报 2011年第10期31卷 69-74页

作者：梁浩路元刚李存磊王祥传张旭苹南京大学光通信工程研究中心江苏南京210093

布里渊光时域反射测量(BOTDR)系统空间分辨率和传感距离存在相互制约的关系。相关序列脉冲编码技术可用于解决这一矛盾,但直接对编码脉冲的布里渊散射采样信号进行解码,会因采样时间间隔小于编码单位脉冲宽度而导致解码信号的失真,从而... 详细信息

布里渊光时域反射测量(BOTDR)系统空间分辨率和传感距离存在相互制约的关系。相关序列脉冲编码技术可用于解决这一矛盾,但直接对编码脉冲的布里渊散射采样信号进行解码,会因采样时间间隔小于编码单位脉冲宽度而导致解码信号的失真,从而降低了系统空间分辨率和测量精度。分析了直接互相关解码对BOTDR系统空间分辨率的影响,提出一种基于重采样的互相关解码方法,该方法解决了直接相关运算造成的系统性能降低问题。实验中用512bit 20ns的互补序列在20km光纤末端获得2m的空间分辨率。实验结果表明,与直接互相关的解码方法相比,基于重采样的互相关方法是一种有效的序列脉冲BOTDR信号解码方法。

关键词：光纤传感布里渊光时域反射相关序列编码脉冲采样率

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提高布里渊光时域反射系统传感性能的方法

光学学报 2015年第1期35卷 61-70页

作者：李永倩李晓娟安琪华北电力大学电子与通信工程系河北保定071003

根据谱整形的思想将脉冲预抽运的概念引入布里渊光时域反射系统,提出了一种提高传感性能的方法。该方法利用由预抽运脉冲和传感脉冲组成的阶梯脉冲作调制信号,通过预抽运脉冲和传感脉冲的受激布里渊作用实现布里渊谱的整形和传感信号的... 详细信息

根据谱整形的思想将脉冲预抽运的概念引入布里渊光时域反射系统,提出了一种提高传感性能的方法。该方法利用由预抽运脉冲和传感脉冲组成的阶梯脉冲作调制信号,通过预抽运脉冲和传感脉冲的受激布里渊作用实现布里渊谱的整形和传感信号的放大,可有效地解决系统空间分辨率和测量精度的矛盾,并可提高系统信噪比,增加传感距离。通过受激布里渊稳态方程的瞬态分析对阶梯脉冲调制布里渊光时域反射系统中的受激布里渊散射模型进行了求解,对阶梯脉冲进行了最佳化设计,比较了矩形脉冲、洛伦兹形脉冲和阶梯脉冲调制时的系统性能。结果表明,当预抽运脉冲和传感脉冲参数为50ns、0.2W和2ns、1W时,采用阶梯脉冲时的布里渊谱宽约为44MHz,10km光纤末端信噪比较采用矩形脉冲时提高了7.97dB。最后,通过实验验证了所提方法的可行性。

关键词：光纤光学光纤传感阶梯脉冲调制声波预抽运布里渊光时域反射谱整形

基于拉曼放大的长距离快速布里渊光时域反射仪

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激光与光电子学进展 2019年第17期56卷 245-252页

作者：马祥杰周黎明程凌浩刘伟民暨南大学光子技术研究院

基于宽带接收的快速布里渊光时域反射技术,通过结合分布式拉曼放大来实现长距离分布式布里渊传感。研究了拉曼放大前后系统的性能差别以及非线性现象,并探究拉曼抽运功率与脉冲功率的最佳组合方式。最终通过实验实现了空间分辨率为50m... 详细信息

基于宽带接收的快速布里渊光时域反射技术,通过结合分布式拉曼放大来实现长距离分布式布里渊传感。研究了拉曼放大前后系统的性能差别以及非线性现象,并探究拉曼抽运功率与脉冲功率的最佳组合方式。最终通过实验实现了空间分辨率为50m、传感距离为100km左右的快速温度传感,其中,在50km处获得1.2℃的温度测量精度。系统传感距离较无拉曼放大时提高了约50km,并且能够在10s左右快速完成一次测量。

关键词：光纤光学布里渊光时域反射布里渊散射拉曼放大