摘 要

采用增益包络追踪技术（gain profile tracing, GPT）的布里渊光时域分析（Brilliouin optical time domain analysis，BOTDA）系统，能够实现厘米量级的高空间分辨率。相比于传统的BOTDA分布式传感系统，GPT技术基于一个更为简单的泵浦光调制方案——利用长脉冲（一般脉宽为100ns以上）泵浦光激发光纤内的声场，使探测光发生受激布里渊散射，并利用脉冲下降沿微分探测光，以提取发生布里渊交互作用部分的光能量。由于在GPT技术中，系统的空间分辨率不受脉冲宽度的限制，而决定于调制泵浦光的下降时间，因此可实现极高的空间分辨率。应力传感实验证明，系统的空间分辨率达到35cm，并且能够对低频的振动信号做重复频率和长度的检测。论文的主要创新点包括：

1、建立用于振动检测的GPT理论模型，设计并搭建了基于GPT-BOTDA实验系统，从理论上计算并分析了GPT-BOTDA系统的应变和振动传感性能；

2、该系统在1.735km距离检测范围上，实现了35cm的空间分辨率；并使用该系统完成了振动作用光纤长度2m、频率6Hz振动信号的检测。

论文的研究结果表明：采用GPT技术的BOTDA系统具有高空间的分辨率，能够满足我们对低频的振动信号的检测以及定位。

关键词：增益包络追踪；BOTDA系统；空间分辨率；振动；

Abstract

A Brillouin optical time-domain analysis (BOTDA) system based on gain profile tracing (GPT) technique has cm-order spatial resolution. The GPT technique is based upon a much simple modulation scheme. The pump pulse acts as a stimulator of the SBS gain process as well as a power extractor from the probe power. As a result, the spatial resolution is limited by the falling-time of the pump puls, and the systematic spatial resolution achieves cm-order easily. Experimental demonstrates a spatial resolution of 35cm and vibration with frequency below 60Hz.Distinguished work in this paper includes:

1. Build the GPT-BOTDA sensing model for vibration. Based on a demonstrating GPT-BOTDA system, we simulate and analyze the strain and vibration performance of the system.

2. Experimental results demonstrate 35cm spatial resolution achieved over a 1.738 km standard single-mode fiber and 6Hz vibration over fiber length of 2m.

Theoretical analysis in the research proves that the GPT-BOTDA system has an spatial resolution of 35cm and capability to detectlow frequency vibration.

Key Words： GPT technique; BOTDA system; spatial resolution; vibration;

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 BOTDA振动传感应用研究 1

1.2 BOTDA的信号解调方法 2

1.3 本文主要工作及章节安排 3

第2章 采用GPT方法的BOTDA技术理论基础 4

2.1光纤中的受激布里渊散射及其应变特性 4

2.1.1光纤中受激布里渊散射机理 4

2.1.2布里渊散射频移的应变特性 5

2.1.2布里渊散射强度的应变特性 6

2.2 BOTDA系统传感原理 6

2 .3 GPT方法原理及其振动振动传感模型 7

2.3.1 GPT技术的原理 7

2.3.2 GPT-BOTDA振动传感模型 7

2.4本章小结 9

3.1 GPT-BOTDA时域信号的仿真分析 10

3.1.1 无应变的GPT-BOTDA时域信号的仿真分析 10

3.1.2有应变的GPT-BOTDA时域信号的仿真分析 14

3.2 GPT-BOTDA传感系统的性能 18

3.2.1 GPT-BOTDA传感系统的应变传感精度 18

3.2.2 GPT-BOTDA传感系统的空间分辨率 19

3.3 GPT-BOTDA系统的振动传感仿真 21

3.4本章小结 21

第4章 GPT-BOTDA系统的振动传感实验 22

4.1 GPT-BOTDA传感系统的结构设计 22

4.2 GPT-BOTDA系统的应变传感实验 23

4.2.1应变实验结果与分析 23

4.2.1.1 实验参数、现象及定性分析 23

4.2.1.2数据处理和定量分析 24

4.2.2 GPT-BOTDA传感系统的空间分辨率实验结果与分析 28

4.2.2.1实验参数、现象及定性分析 28

4.2.2.2数据处理及定量分析 29

4.3 GPT-BOTDA系统的振动传感实验 30

4.3.1振动信号的设置 30

4.3.2振动信号的实验结果 31

4.3.3误差分析 34

4.4 本章总结 34

第5章 总结与展望 35

5.1 总结 35

5.2 展望 35

参考文献 36

致 谢 38

第1章 绪论

布里渊时域分析技术（Brillioun optical time domain analyzer，BOTDA）^[1,2]，即基于光纤中的受激布里渊散射技术，广泛用于大区域的应变或环境温度的测量。当外部信号作用于传感光纤上时，光纤中背向传输的布里渊散射频率和幅值都会发生相应变化，该系统通过检测布里渊频移参数的变化量，提取出外部信号的一些参数。

应用增益包络追踪追踪技术的BOTDA系统（Gain profile tracing-Brillioun optical time domain analyzer,GPT-BOTDA）^[3],是一种旨在提高BOTDA系统空间分辨率的传感技术，GPT技术利用了泵浦光的下降沿窄的优势提高系统的空间分辨率，并且很好地解决了短脉冲技术的“二次回波”的短板。

1.1 BOTDA振动传感应用研究

1990年，T.Horigchi等人提出一项新的光纤传感技术——布里渊光时域分析（Brillouin Optical Time-Domain Analysis,BOTDA）传感技术，它基于光纤中受激布里渊散射原理，可以用作温度传感^[4]。从那以后，为了提高该技术的空间分辨率、被测量的分辨率和检测距离等传感性能，国内外学者不断进行系统改良和技术创新。主要可以归纳为两大类技术——信号调制技术，例如2005年，K.Kishida等人基于预泵浦的BOTDA系统，实现10cm的空间分辨率^[5]。2008年，X.Bao等提出使用一对不同脉冲宽度的BOTDA系统，在12km的光纤上实现1m的空间分辨率^[6]；和信号编码技术，主要是在BOTDA系统中引入成熟的通信编码和解码技术，实现性能提升，如：2010年，Liang. H等人利用RZ编码的泵浦光传输在大有效面积的非零色散位移光纤里传输，实现了传输距离达到50km，空间分辨率达到0.5m^[7]。在2012年M.A.Soto等人采用Simplex编码和光预放大技术实现了传输距离60km，空间分辨率达到25cm的DPP-BOTDA传感系统^[8]；同年该课题组进行了240km传感距离的实验，是至今报道的最长距离的BOTDA系统^[9]。