布里渊高精度分布式光纤传感系统优化与实现

摘要

结构健康监测技术可应用于检测基础设施早期创伤和灾害预防。基于布里渊散射的分布式光纤传感技术,利用应变和温度与布里渊频移相关的特性,可以在数十到数百公里的尺度上上实现应变、温度或震动的分布式连续测量,同时获得被测量结构参数的空间和时间变化信息,具有空间分辨率高、传感距离长、测量精度高等优点,显示出非常广泛的应用前景,近20年来得到了研究者越来越多的关注。
　　本论文提出了一种基于布里渊光学相关域分析分析(BOCDA)的优化系统,利用布里渊增益和布里渊损耗效应级联来提高布里渊净增益。本文从该系统的理论分析、系统仿真和实验验证等方面进行研究,得出了该方案具有高分辨率、高精度和低成本等特点。并进行了系统集成化研究,研制了一套原理样机。并将本技术在江阴大桥进行了技术与性能的验证。本文的主要研究内容包括:
　　(1)提出一种优化的布里渊分布式光纤传感方案。该方案基于受激布里渊散射过程中的增益和损耗效应级联,可以提高系统信噪比和传感精度。理论分析了基于布里渊增益和损耗级联BOCDA系统方案的理论依据,证明了其相比传统BOCDA系统可提高两倍的布里渊净增益。
　　(2)在实验验证中,采用双平行调制器(DP-MZM)同时实现增益和损耗两个过程所需的光源,并证明了该方案具有高分辨率、高精度、低系统复杂度和低成本等特点。
　　(3)进行了系统集成化探索,采用了双平行调制器、两级光放大器、扰偏仪、模电优化设计和数据采集处理等模块,研制了一套原理样机,样机传感精度可达10微应变/0.5℃)。
　　(4)开展了原理样机在江阴大桥上的应用验证,实验得出了大桥不同位置处的应变的空间和时间分布,初步验证了在桥梁健康监测应用的可行性和实用性。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2分布式光纤传感技术的研究现状和发展趋势

1.4 本文研究内容及结构安排

第二章 布里渊分布式光纤传感优化方案和原理分析

2.1布里渊散射传感原理

2.2布里渊相干域优化的方案设计和原理分析

2.3本章小结

第三章 BOCDA优化方案搭建与实验验证

3.1 实验平台设计与实现

3.2 系统中的关键器件设计

3.3 实验测试与系统性能验证

3.4 本章小结

第四章 BOCDA优化系统样机研制

4.1 样机研制方案设计

4.2各关键模块的功能实现

4.3 样机控制平台和软件

4.4系统性能验证

4.5本章小结

第五章 在江阴大桥上的健康监测应用验证

5.1 应用背景介绍

5.2传感光纤在大桥上的铺设

5.3 数据测试与分析

5.4本章小结

第六章 论文总结与展望

6.1 主要结论

6.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表论文及申请专利情况