摘 要

基于受激布里渊散射的分布式光纤传感技术又叫做布里渊光时域分析仪(BOTDA：Brilouin Optical Time-Domain Analysis)，是一种在国内外比较前沿的分布式温度和应变测量技术，具有多种应用，如建筑结构健康监测、岩土工程和沿管道渗漏检测等。与其他分布式光纤传感技术相比， BOTDA具有测量距离远、测量精度高等优点。本文的研究重点是BOTDA系统关键模块的设计与实现，以及系统精度的提高，具体内容如下：

(1) 总结了BOTDA的国内外研究现状，阐述了光的布里渊散射和受激布里渊散射的产生原理，分析了基于受激布里渊散射的BOTDA的传感机理，并从理论上分析了BOTDA的传感距离、传感精度、空间分辨率、测量时间等性能参数。为本文的实验奠定了理论基础。

(2)设计并实现了BOTDA温度传感实验系统。本实验系统主要由传感数据采集和数据处理两部分组成。传感数据采集部分由光脉冲产生模块、扫频激光模块、数据采集模块和传感光纤组成。本文设计了光脉冲产生模块和扫频激光模块，数据采集模块使用现有的数据采集卡。基于BOTDA的传感原理编写了数据处理算法，将采集到的数据转换成光纤沿线的温度信息，从而实现了分布式温度传感。根据光纤沿线的温度曲线，分析出本实验系统的空间分辨率为8m，温度测量精度为±1.4℃。符合实验系统的设计要求。

(3) 为进一步提高传感系统的温度测量精度，本论文还研究了一种基于非局部均值(NLM：Non-Local Means) 滤波算法的数据处理算法。因为采集到的布里渊增益谱是二维数据，所以可以用数字图像中的NLM滤波算法来处理布里渊增益谱，该算法能根据图像自身的特性调整权值，使得在去除噪声的同时最大程度的保留了布里渊增益谱的细节，最终将实验系统的温度精度提高到了±0.9℃。

关键词：受激布里渊散射；布里渊光时域分析仪；非局部均值滤波

Abstract

Distributed optical fiber sensing technology based on stimulated Brillouin scattering is also called Brillouin optical time domain analysis (BOTDA) ,which is a kind of distributed temperature and strain sensing technology, it has many applications, such as building structure health monitoring, geotechnical engineering and pipeline leak detection and so on. Compared to other distributed optical fiber sensing technique, BOTDA has significant advantages for long-range and high-precision distributed temperature or strain measurement.This research emphasis is the design and implementation of the key modules of BOTDA system, and the improvement of the system precision,The work is summarized as follows:

(1) This paper summarized the domestic and foreign research status of BOTDA, the theory of Brillouin scattering and stimulated Brillouin scattering are introduced, the sensing mechanism of BOTDA is analyzed,and the performance parameters of BOTDA are analyzed theoretically in sensing accuracy, spatial resolution, measurement time and sensing range. Laying the theoretical foundation for the experiment of this paper.

(2) A BOTDA temperature sensing experiment has been designed and demonstrated. The system is mainly composed of sensor data acquisition and data processing. The former is composed of an optical pulse generation module, a scanning laser module, a data acquisition module and the sensing optical fiber. I have designed the optical pulse generation module and the sweep frequency laser module, and used an existing data acquisition card as the data acquisition module. Based on the principle of BOTDA, the data processing algorithm is programmed, and the collected data are transformed into the temperature along the optical fiber, so that the distributed temperature sensing is implemented. According to the temperature curve along the optical fiber, the spatial resolution of the experimental system is 8m, the temperature measurement accuracy is ±1.4℃. Meet the design requirements of the experimental system.

(3) In order to improve the accuracy of temperature measurement of the sensing system, a data processing algorithm based on NLM filtering algorithm is also studied. we can use the digital image NLM filtering algorithm to deal with the Brillouin gain spectrum,because it’s two-dimensional data,The algorithm can adjust the weights according to the characteristics of the image itself, and the details of the Brillouin gain spectrum are kept at the same time to remove the noise. Finally, the temperature accuracy of the experimental system is increased to ±0.9℃.

Keywords：Stimulated Brillouin Scattering; Brillouin optical time domain analyzer; non local means filters

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外发展现状 2

1.3 课题的研究内容 3

第2章 BOTDA理论基础 5

2.1 光纤中的散射 5

2.2 布里渊散射和受激布里渊散射 6

2.2.1 布里渊散射 6

2.2.2 受激布里渊散射 6

2.3 BOTDA传感机理 7

2.3.1 布里渊频移 7

2.3.2 布里渊增益谱 8

2.3.3 BOTDA测量过程 8

2.4 BOTDA主要性能参数 9

2.4.1 传感距离 10

2.4.2 空间分辨率 10

2.4.3 传感精度 11

2.4.4 测量时间 12

2.5 本章小结 13

第3章 BOTDA温度传感系统的设计与实现 14

3.1 BOTDA温度传感系统的设计 14

3.1.1 双边带扫频激光的设计与实现 15

3.1.2 光脉冲调制的设计与实现 17

3.1.3 双边带调制对非局域效应的抑制 20

3.2 BOTDA温度传感实验 20

3.3 BOTDA温度传感实验的数据处理算法设计与结果分析 22

3.3.1 BOTDA温度传感实验数据处理算法设计 22

3.3.2 BOTDA温度传感实验数据处理结果及分析 23

3.4 BOTDA温度传感系统性能参数分析 27

3.5 本章小结 28

第4章 NLM滤波对BOTDA系统精度的提高 29

4.1 NLM滤波理论基础 29

4.2 NLM滤波对传感信号的处理 30

4.3 常规数据处理算法与NLM滤波处理算法实验结果对比 33

4.4 使用NLM滤波后BOTDA系统的性能参数 34

4.5 本章小结 34

第5章 总结与展望 35

5.1 总结 35

5.2 展望 35

参考文献 37

附录A 实验中部分器件实物图 39

致谢 41

绪论

研究背景及意义

光纤传感技术是在光纤通信技术的发展较成熟之后才兴起的新技术。在光纤通信时，信号质量往往会受到光纤外部温度、应变等因素的影响，人们发现通过测量光波参量的变化，能够获得光纤附近环境的温度、应变等变化信息，于是光纤传感技术诞生了。光纤传感的应用领域十分广泛，各种光纤传感器已进入建筑结构监测、生物医疗、国防军事、工业控制、电力设施等各个领域，尤其是在适用于恶劣环境、分布式测量等场景有着广阔的应用市场。在分布式光纤传感中，光纤本身是传感元，同时也是传感参量的传输介质，易于被嵌入到被测物体的内部结构中，实现对内部结构的实时无损监测^[1]；分布式光纤传感器与传统传感器相比，其能够实现分布式测量，传感灵敏度比传统传感器要高很多倍，并且能够有效的在恶劣的环境下工作 ^[2]。

BOTDA是目前光纤传感领域研究的热门课题， 其具有可传感的物理量多、散射信号强度较大、测量感精度高、传感范围大和空间分辨率较高等优点。近几年， BOTDA广泛的应用于民用和工业基础设施状态监测，常用于长距离分布式温度检测和建筑结构健康监测。在BOTDA中，光纤沿线的布里渊频移(BFS：Brillouin Frequency Shift)与该位置的温度、应变有关，且呈线性关系，所以我们可以通过扫描布里渊增益谱(BGS:Brillouin Gain Spectrum)来提取光纤沿线温度或应变等传感信息^[2]。