基于BOTDR的分布式光纤应变检测系统

摘要

随着我国基础建设规模的扩大，隧道、桥梁、大坝等基础设施数量不断增大，其长期运行带来的安全隐患问题也不断增加；同时由于环境破坏严重，诸如山体滑坡、地表塌陷等地质灾害也时常发生。因此如何对大规模基础设施和特殊地貌区进行结构健康监测和灾害预警具有重要意义。结构健康监测多数基于应变检测实现，传统的应变检测技术主要依靠应变片或者振弦式应变传感器来实现点式测量，这两者易受环境腐蚀，不宜长期检测，同时在大规模测点容量的应用场合中，点式传感器布设冗杂、信号传输不便、抗电磁干扰差，给工程应用带来困难。　　相比于传统应变传感器，分布式光纤应变传感器具有抗电磁干扰、集传输与传感为一体、耐高温、灵敏度高、体积小等优点，特别适合在易燃、易爆、受限空间及强电磁干扰等恶劣环境下使用。而基于 BOTDR的分布式光纤传感技术除以上优点外，还有带宽大、损耗低，传感距离长等特点，可以很好完成健康检测和预警任务。　　首先通过布里渊散射特性分析基于 BOTDR的应变传感机理，得出布里渊频移与应变的线性关系，并理论分析相干检测的机制，以结合微波扫频技术给出应变传感系统的总体设计方案。随后分析布里渊散射谱的特征，以此阐述洛仑兹曲线拟合算法（L-M算法）的流程和意义，并根据检测方式和数据采集装置的特点设计出基于LabVIEW的应变解调软件。　　其次，为便于样机集成，根据实验室现有的AD9467模数转换芯片和Kintex-7系列XC7K325T开发板卡，基于Verilog语言设计出了AD采集和PCIe DMA高速数据传输软件模块，并完成每个程序功能的初步验证，为后期设计完整的高速采集卡奠定了基础。　　最后根据总体设计方案，搭建出实验传感系统，进行拉伸实验，在10.19km的传感光纤末端处3.9m长度上施加0με-8000με的应变，解调的频移误差为±1.05MHz，对应应变测量误差为±24.35με，因此本分布式光纤应变检测系统可为工程设施、特殊地貌区的结构健康监测提供一种可行的检测方案。

目录

第一章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2基于布里渊散射的分布式光纤传感技术的研究现状

1.3课题主要研究内容及工作安排

第二章 基于BOTDR的分布式光纤传感原理

2.1光纤中的布里渊散射

2.2基于布里渊散射的传感机理

2.3 BOTDR的分布式光纤应变检测系统

2.4 本章小结

第三章 基于LabVIEW的应变解调软件设计

3.1虚拟仪器与LabVIEW开发平台

3.2布里渊频移谱拟合算法

3.3 基于LabVIEW 的应变解调实现

3.4本章小结

第四章 基于FPGA数据采集与传输模块的软件设计

4.1 FPGA概述与总体方案设计

4.2 AD采集模块的软件设计

4.3 PCIe接口数据传输实现

4.4本章小结

第五章 应变传感实验及结果分析

5.1实验平台搭建

5.2实验系统参数设置与软件处理

5.3解调结果分析

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

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