基于超长环形激光器泵浦的布里渊分布式传感系统

摘要

布里渊光时域分析仪(BOTDA)已经发展成实用化的光纤传感技术,可广泛应用于输油管道、高压电缆以及桥梁建筑的温度和应变的监测。
　　空间分辨率、传感距离、测量精度是BO T DA的主要性能指标。三者之间呈现重要制约关系:一方面,光纤损耗是传感距离延伸的重要限制因素;另一方面,空间分辨率与布里渊泵浦脉宽成正比,高空间分辨率需更窄的光脉冲,降低了信噪比(SNR),为确保传感光纤末端测量精度,需要适当提升布里渊泵浦脉冲峰值功率及连续探测光功率。然而此方法对测量精度改善有限:一方面,高功率布里渊泵浦易引起调制不稳定(MI)及自相位调制(SPM),最终导致布里渊增益谱(BGS)展宽及测量精度下降;另一方面,较强的探测光功率易引起布里渊泵浦消耗及非局域效应(即传感信息从前端串扰至末端,表现为末端BGS产生变形及多峰结构),且距离愈长,非局域化愈严重。因此,提高长距离BO T DA信噪比,提出有效解决上述问题的一种解决方案,对于进一步发展高性能分布式光纤传感技术具有重要的实际意义。
　　为了延长空间传感距离,同时保持空间分辨率与传感精度。首先,可以使用光放大方案,与集总式光放大方案相比,分布式拉曼放大(DRA)具有更高的SNR和更低的非线性损伤,但需要抑制泵浦-探测相对强度噪声(RIN)转移。其次,使用光编码技术,可以提升系统SNR,随着编码位数的增加,SNR增益值升高。本文研究了基于环形腔超长光纤激光器(UL-FL)泵浦的DRA特性;首次将此放大方案结合127bit编码技术应用于超长距离BOTDA,使用前向泵浦有效抑制RIN转移,同时优化1366nm拉曼泵浦功率和布里渊探测光和泵浦光功率,实现了94.2k m无中继分布式传感,空间分辨率为3 m,传感精度为±1.4℃/±28με。对非局域化和BGS展宽两种非线性效应结果进行了讨论。为了提高系统SNR,提出了BOTDA与Φ-OTDR的分离方案。
　　工程上,针对BOTDA应用中的实际问题,提出BOTDA传感方案,并给出实际调试中出现具体问题的解决办法;通过上述改进,自主研发了长距离BO T DA海缆应力系统,由于性能突出,从而在中国南方电网公司承担的国家863重大项目中一举中标,如今已验收,突破性的成功示范应用。

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第一章 绪 论

1. 1 分布式光纤传感概述

1.2 基于超长光纤激光器(UL-FL)泵浦的DRA研究进展

1.3 布里渊光时域分析(BOTDA)研究进展

1. 4 本论文的工作

第二章 DRA及BOTDA理论基础

2.1 DRA理论基础

2.2 DRA主要性能指标

2.3 BOTDA理论基础

2.4 BOTDA主要性能指标

2. 5 本章小结

第三章 编码技术及环形腔超长光纤激光器泵浦的DRA特性及其应用

3. 1 光脉冲编码原理

3.2 基于环形腔UL-FL泵浦的DRA基本特性

3.3 环形腔UL-FL泵浦的DRA在超长距离BOTDA传感中的应用

3. 4 非线性效应

3.5 BOTDA与Φ-OTDR的分离

3. 6 本章小结

第四章 长距离BOTDA传感系统工程实践

4.1 BOTDA系统结构

4.2 长距离BOTDA传感系统样机实现

4. 3 安装过程及结果讨论

4. 4 本章小结

第五章 总结与展望

5. 1 本文的研究内容及主要贡献

5. 2 后续工作的展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果