Simplex编码BOTDA传感系统的建模分析与优化设计

摘要

本文在介绍布里渊光时域分析（BOTDA）技术的基础上，主要论述了光纤中的布里渊散射特性，并根据受激布里渊散射的作用机理，分析了温度及应变与布里渊频移的关系。分析了基于Simplex编码的BOTDA系统的传感理论及性能，并对系统进行了建模分析与优化设计。 首先，针对Simplex编码在BOTDA系统中的应用原理进行了介绍，分析了编解码的原理；通过深入研究光纤的SBS阈值对编码BOTDA系统性能的限制，定量分析了SBS阈值对系统编码长度的限制；研究在光纤长度固定的情况下系统的最大编码长度，并仿真得到采用脉宽为100ns ，峰值功率分别为10mw、20mw、30mw的脉冲光时传感系统的时域输出信号，进一步说明了SBS阈值对编码BOTDA系统编码长度及信噪比的限制。其次，针对BOTDA系统中入射光功率受光纤SBS阈值限制的问题，考虑采用多波长BOTDA系统提高系统的SBS阈值；理论分析了多波长BOTDA系统的SBS阈值，设计实验方案测量单波长及多波长系统的SBS阈值；并仿真得到采用多波长技术后系统信噪比的提升量，得出当采用三波长入射光时，系统的信噪比可以提高约4.77dB，波长数为5时提高约6.99dB，波长数为40时提高约16.01dB，为多波长Simplex编码BOTDA系统的实验研究提供了理论依据。最后，在传统双端BOTDA系统的基础上提出单端入射、单端工作的瑞利BOTDA系统，分析了基于雪崩光电二极管(APD)检测的S编码瑞利BOTDA系统中的两种噪声：热噪声和随机散粒噪声；考虑APD的倍增因子对系统信噪比的影响，推导了系统在最佳倍增因子下的信噪比和编码增益公式，得到了在倍增因子的条件下的最佳码长的表达式，并通过MATLAB进行仿真验证。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 布里渊分布式传感技术概述

1.2.1 基于BOFDA的分布式光纤传感技术

1.2.2 基于BOTDR的分布式光纤传感技术

1.2.3 基于BOTDA的分布式光纤传感技术

1.3 BOTDA光纤传感技术研究现状

1.3.1 国外研究现状

1.3.2 国内研究现状

1.4 本文研究内容

第2章 光纤中的布里渊散射及其传感原理

2.1 光纤中的布里渊散射

2.1.1 自发布里渊散射

2.1.2受激布里渊散射

2.2 布里渊频移与温度和应变的关系

2.2.1 布里渊频移

2.2.2 布里渊频移的温度和应变特性

2.3 本章小结

第3章 光纤SBS阈值对编码BOTDA系统性能的限制

3.1 Simplex码及其在BOTDA系统中的应用原理

3.1.1 Simplex码的产生

3.1.2 Simplex码在BOTDA系统中的应用

3.2 SBS阈值对编码BOTDA系统性能的限制

3.2.1 理论分析

3.2.2 SBS阈值对系统编码长度的限制

3.2.3 SBS阈值对系统信噪比的限制

3.3 多波长BOTDA系统SBS阈值

3.3.1 理论分析

3.3.2 系统方案设计

3.3.3 系统信噪比分析

3.4 本章小结

第4章 Simplex编码瑞利BOTDA光纤传感系统

4.1 瑞利BOTDA系统原理

4.2 瑞利BOTDA系统方案设计

4.3 采用APD检测的Simplex码瑞利BOTDA系统

4.3.1 理论分析

4.3.2 APD最佳倍增因子

4.3.3 系统信噪比及最佳编码长度

4.4 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢