BOTDR传感系统性能提高方法的理论与实验研究

摘要

电力线缆和设备是保证电力传输、信息交换和电磁能量转换的重要纽带，实时获取其运行状态，确保其安全稳定工作，对保障经济和社会发展具有重大意义。电力线缆铺设线路长且易受外界环境因素影响，利用具有单端测量和结构简单等特性的布里渊光时域反射(BOTDR)技术可实现电力线缆和设备状态的实时监测。本文分析了自发布里渊散射和受激布里渊散射(SBS)的特性，提出了基于布里渊散射谱宽的光纤SBS阈值测量方法;提出了基于时域和谱域整形的BOTDR温度测量方法，并结合布里渊散射谱和布里渊功翠进行了阶梯光脉冲的最佳化设计;研究了光源频率不稳定性对布里渊散射信号的影响，提出了瑞利和布里渊自外差检测BOTDR温度测量方法，以及减小光纤温度测量误差的有效方法，旨在为电力线缆温度的高准确度测量提供理论依据和技术支撑。
　　本研究主要内容包括：⑴通过建立描述受激布里渊散射作用的数学模型解析了SBS耦合波方程组，推导了布里渊散射谱宽与入纤光功率的关系，提出了基于布里渊谱宽的光纤SBS阈值测量新方法;研究了外差检测布里渊散射谱测量系统中的噪声成分和系统信噪比，提出了利用系统信噪比变化特性确定最佳入纤光功率和最佳本振光功率的方法。⑵提出了利用阶梯脉冲调制解决BOTDR系统空间分辨率和测量精度相互制约问题的方法，利用受激布里渊稳态方程的瞬态分析方法求解了阶梯光脉冲在光纤中传输时SBS作用的数学模型，通过预泵浦脉冲和传感脉冲的SBS作用实现了布里渊谱的整形和传感信号功率的放大;根据系统性能指标最佳化设计了阶梯光脉冲，仿真比较了不同脉冲调制时的系统性能;设计并搭建了基于阶梯脉冲调制的BOTDR温度测量系统，实验结果表明了阶梯脉冲调制BOTDR系统有效地解决了空间分辨率和测量精度之间的矛盾。⑶针对传统窄谱光源BOTDR系统性能提高受光纤SBS阈值限制的问题，提出了基于多模法布里-珀罗激光器的移频本地外差检测BOTDR传感系统;研究了布里渊叠加谱峰功率和谱宽、系统信噪比和频移测量精度与纵模数的关系，计算得到了最优测量精度时的纵模数与脉冲宽度和纵模间隔的关系及相应的拟合公式，对基于多波长光源的BOTDR系统建模分析和优化设计具有重要的参考价值;根据布里渊散射叠加谱的传输特性和高精度特征提取的要求，提出了Pseudo-Voigt基函数和莱文伯格-马夸尔特优化算法对布里渊叠加谱进行特征提取，为多波长布里渊光纤传感系统有用信息的准确提取提供了有效可行的方法。⑷分析了光源频率不稳定性对外差检测布里渊散射信号的影响，建立了外差检测布里渊信号与光源输出光频率的关系模型，提出了消除光源频率不稳定性影响的瑞利和布里渊自外差检测方法;研究了自外差检测布里渊频移和信号功率与光纤温度和应变的关系，提出了采用宽带光源和自外差检测的BOTDR温度测量方法，有效地减小了相干瑞利噪声对系统性能的影响;提出了分别采用多波长探测光和格雷序列编码脉冲的自外差检测BOTDR温度测量方法，有效地降低了相干瑞利噪声引起的布里渊频移和功率波动，为自外差检测BOTDR传感系统的温度和应变同时测量提供了理论和实验依据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究的目的和意义

1．2 分布式光纤传感技术的研究现状

1．2．1 基于瑞利散射的分布式光纤传感技术

1．2．2 基于拉曼散射的分布式光纤传感技术

1．2．3 基于布里渊散射的分布式光纤传感技术

1．3 布里渊分布式光纤传感技术研究进展

1．4 光纤中布里渊散射的传感原理

1．4．1 光纤中的布里渊散射特性

1．4．2 布里渊频移和强度的温度和应变特性

1．4．3 基于布里渊散射的温度和应变同时测量原理

1．5 课题的主要研究内容

第2章 基于布里渊谱宽的光纤SBS阈值测量方法

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 光纤受激布里渊散射阈值分析

2．2．1 传统SBS阈值测量方法

2．2．2 布里渊散射谱特性

2．2．3 系统信噪比分析

2．3 基于外差检测的布里渊散射信号测量系统

2．3．1 入纤探测光为连续光

2．3．2 入纤探测光为脉冲光

2．4 本章小结

第3章 基于时域和谱域整形的本地外差检测BOTDR温度测量方法

3．1 阶梯脉冲调制BOTDR系统

3．1．1 光纤中阶梯光脉冲的传感机理

3．1．2 预泵浦脉冲和传感脉冲的SBS作用模型

3．1．3 阶梯光脉冲产生的布里渊散射谱

3．2 系统性能建模分析

3．2．1 阶梯光脉冲的最佳化设计

3．2．2 不同波形脉冲调制BOTDR系统性能比较

3．3 基于时域和谱域整形的BOTDR温度传感系统

3．3．1 阶梯脉冲调制BOTDR系统的组成

3．3．2 实验结果及分析

3．4 本章小结

第4章 基于多模FP-LD的外差检测BOTDR传感系统

4．1 理论分析

4．1．1 多模FP激光器的工作原理

4．1．2 采用多模FP-LD时的光纤SBS阈值

4．1．3 移频本地外差检测原理

4．2 多模BOTDR系统性能建模分析与计算

4．2．1 基于多模FP-LD的移频本地外差检测BOTDR系统组成

4．2．2 多模布里渊散射谱

4．2．3 系统信噪比和纵模数的关系

4．2．4 多模BOTDR系统的建模分析与优化设计

4．3 布里渊散射叠加谱的特征提取

4．3．1 布里渊散射叠加谱分析

4．3．2 莱文伯格-马夸尔特优化算法

4．3．3 数值仿真与结果分析

4．3．4 基于多模FP-LD的自外差检测布里渊散射谱测量系统

4．4 本章小结

第5章 基于瑞利和布里渊自外差检测的BOTDR温度测量方法

5．1 光源频率稳定性对外差检测布里渊散射信号的影响分析

5．1．1 外差检测布里渊信号与光源频率变化的关系建模

5．1．2 消除光源频率不稳定性影响的有效方法

5．2 基于宽带光源和自外差检测的BOTDR温度测量方法

5．2．1 宽带瑞利和布里渊自外差检测原理

5．2．2 自外差检测布里渊频移和功率的温度和应变特性

5．2．3 采用宽带光源的自外差检测BOTDR温度传感系统

5．3 多波长瑞利和布里渊自外差检测BOTDR温度测量方法

5．3．1 多波长探测光的产生

5．3．2 多波长瑞利和布里渊自外差检测原理

5．3．3 基于多波长探测光的自外差检测BOTDR温度传感系统

5．4 基于Golay序列编码脉冲的自外差检测BOTDR温度测量方法

5．4．1 Golay码的产生

5．4．2 Golay码在自外差检测系统中的应用原理

5．4．3 基于Golay码的自外差检测BOTDR温度传感系统

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介