BOTDA系统性能改进方法及实验研究

摘要

本文在介绍基于布里渊光时域分析(BOTDA)分布式光纤传感技术国内外研究现状的基础上,详细论述了自发布里渊散射(SPBS)和受激布里渊散射(SBS)的机理。根据SBS的作用机理,分析了其稳态耦合波方程和瞬态耦合波方程。分析了光纤中布里渊频移和强度受温度和应变影响的特性,确立了它们之间的函数关系。根据BOTDA系统中布里渊频移的温度和应变交叉敏感特性,总结了四种同时实现温度和应变测量的方法。
　　 分析了基于微波外调制BOTDA传感系统的性能指标,研究了影响系统性能的因素。在详细介绍电光调制器(EOM)工作原理的基础上,理论并实验研究了EOM脉冲调制和移频调制技术。通过分析微波调制过程中EOM偏置工作点的漂移现象,设计了一种基于扰动信号和反馈网络的偏压控制系统,设计实验方案验证了采用偏压控制后调制脉冲消光比的改善情况。理论研究了提高BOTDA传感系统性能的脉冲预泵浦技术,对其传感原理进行了理论推导,并设计了基于单激光器的脉冲预泵浦布里渊光时域分析(PPP-BOTDA)传感系统。理论仿真了基于电脉冲合成法的阶梯脉冲产生子系统。
　　 研究结果表明,调制脉冲的消光比和脉宽与BOTDA系统的传感性能直接相关;采用偏压控制技术后,调制脉冲的消光比达到了28 dB以上且可以长时间保持稳定;脉冲预泵浦技术可以同时提高BOTDA系统的空间分辨率和测量精度。利用电脉冲合成法仿真产生了泵浦脉冲宽度1 ns,预泵浦脉冲宽度15 ns的阶梯脉冲。