脉冲预泵浦瑞利BOTDA传感系统分析与设计

摘要

本文在阐述国内外布里渊分布式光纤传感技术研究现状的基础上，论述了光纤内部自发布里渊散射和受激布里渊散射的作用机理，根据受激布里渊散射的作用机理，着重分析了其瞬态耦合波方程。
　　首先介绍了脉冲预泵浦瑞利布里渊光时域分析(PPP R-BOTDA)分布式传感系统的原理。利用时间有限差分法对PPP R-BOTDA系统中SBS瞬态耦合波方程组进行了解析并得到了拟合后的数值解，得出了传感脉冲光场、瑞利散射光场和声波场三场的幅值特性。
　　之后采用频域法解析了PPP R-BOTDA系统中SBS瞬态耦合波方程组，并利用Matlab对该系统进行了仿真。当传感脉冲小于声子寿命时，布里渊散射谱急剧展宽且谱峰功率大幅度降低。仿真研究表明阶梯脉冲使布里渊谱宽变窄，而脉冲预泵浦技术能够同时提高系统的空间分辨率和频移测量精度，实现了布里渊散射信号的谱域整形；通过时频变换推导了脉冲预泵浦瑞利BOTDA系统中空间分辨率下频域布里渊谱特性的时域增益表达式；分析了累积整条光纤后的增益对瑞利散射光功率的影响特性，实现了布里渊散射信号的时域整形，减小了非本地效应。
　　最后设计了PPP R-BOTDA传感系统的实验方案，重点设计并搭建了串联两个电光调制器生成调制阶梯脉冲光的实验模块。实验结果验证了阶梯脉冲光子系统实验方案的可行性。结果表明，当用微波信号源和阶梯脉冲发生器调制时分别将电光调制器的工作点偏置在传输曲线的正线性点和谷点，并根据实际系统的组成和性能指标要求选择合适的微波调制信号幅度和调制指数，可获得满足PPP R-BOTDA系统要求的瑞利散射连续光和传感脉冲泵浦光。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 分布式光纤传感技术

1.3 BOTDA光纤传感技术研究现状

1.4 本文的主要研究内容

第2章 光纤中的布里渊散射及其耦合波方程

2.1 光纤中的布里渊散射

2.2 受激布里渊散射的耦合波方程

2.3 本章小结

第3章 脉冲预泵浦瑞利BOTDA传感系统建模与解析

3.1 系统原理

3.2 系统组成

3.3 脉冲预泵浦瑞利BOTDA系统时域分析

3.4 仿真结果与分析

3.5 本章小结

第4章 脉冲预泵浦瑞利BOTDA传感系统仿真分析

4.1 脉冲预泵浦瑞利BOTDA系统频域分析

4.2 时域增益分析

4.3 本章小结

第5章 实验系统设计与分析

5.1 实验系统设计

5.2 阶梯脉冲光产生模块设计

5.3 实验结果与分析

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 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