基于光纤中声模与光模互作用的温度应变同时测量技术研究

摘要

分布式温度应变测量技术在油气管道、电力线路、桥梁和建筑物安全监测等领域具有广泛的应用需求。基于布里渊散射效应的温度应变同时测量技术作为其中的典型方案之一，拥有测量精度高、距离长、空间分辨率优等特点。本文给出了一种基于受激布里渊散射(SBS)效应中声模与光模互作用来实现温度应变同时测量的方法，并围绕其相关的基础理论、性能仿真和实验验证展开了研究。
　　(1)从SBS效应的物理过程出发，理论分析了光纤的材料与结构参数对声光模激励的影响，阐明了声光模的激励与场分布对布里渊增益谱(BGS)形状的剪裁作用，给出了BGS随温度和应变的变化关系，从而建立了基于光纤中声模与光模互作用实现温度应变同时测量的理论模型，并给出了相应的求解方法。
　　(2)设计了一种多声模/单光模光纤，基于多声模与单光模的互作用构建了具有多峰结构的BGS，利用BGS的多个布里渊频移(BFS)随温度和应变的线性变化特性，有望实现温度和应变的同时测量。仿真分析了光纤的材料和几何结构对声光模激励和BGS形状剪裁的影响，同时给出了温度应变测量范围、测量灵敏度和测量误差随光纤的材料和几何结构的变化规律。仿真结果表明：利用多声模/单光模光纤的多峰结构BGS，有望实现约0.5℃和10.3με的温度应变测量误差。
　　(3)搭建了基于多声模/单光模光纤的SBS效应频率响应测量实验系统，验证了其BGS具有清晰的双峰结构，能适用于温度应变的同时测量。在此基础上，进一步搭建了基于多声模/单光模光纤的分布式温度应变测量实验系统，阐明了系统的工作原理和各个组成模块的设计思路，实验验证了BGS的多个BFS随温度的线性变化规律，实现了20km传输距离上的分布式温度测量。

目录

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2 温度应变同时测量技术研究背景

1.3 基于布里渊散射的温度应变同时测量技术研究现状

1.4 本文的主要研究内容

2 基于声模与光模互作用的温度应变同时测量基础理论

2.1 受激布里渊散射(SBS)效应的物理过程

2.2 基于SBS效应实现温度应变同时测量的理论模型

2.3 温度应变同时测量理论模型的求解方法

2.4 本章小结

3 基于多声模与多光模互作用的温度应变同时测量性能仿真

3.1 表征布里渊增益谱(BGS)的主要特征参数

3.2 光纤折射率分布对BGS剪裁的影响

3.3 光纤材料和几何结构参数对BGS剪裁的影响

3.4 光纤材料和几何结构参数对温度应变同时测量性能的影响

3.5 本章小结

4 基于多声模与单光模互作用的温度应变同时测量实验研究

4.1 多声模/单光模光纤中的SBS效应频率响应测量装置

4.2 基于多声模/单光模光纤的分布式温度应变测量装置

4.3 多声模/单光模光纤中的SBS效应频率响应特性

4.4 基于多声模/单光模光纤的分布式温度测量特性

4.5 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间相关成果