厘米级空间分辨率的BOTDA系统设计与仿真分析毕业论文

2020-02-17 22:32:42

摘要

本文概括了布里渊光时域分析技术（Brilliouin optical time domain analysis，BOTDA）的国内外发展现状，详细介绍了自发和受激布里渊散射(SBS)的作用原理，并在此基础上重点介绍了厘米级空间分辨率的几种BOTDA技术。本文选择了脉冲预泵浦BOTDA系统(Pulse -Pre-Pump Brillouin Optical Time-Domain Analysis，PPP-BOTDA)和差分脉冲对BOTDA系统(Differential Pulse-width Pair Brillouin Optical Time-Domain Analysis，DPP-BOTDA)这两种高空间分辨率系统进行了仿真与分析，并通过实验测量空间分辨率，确定了可以达到厘米级分辨率。本文的创新点主要有：

基于DPP-BOTDA和PPP-BOTDA的基本原理和理论模型，设计了对应的布里渊增益模型，并对系统进行了仿真和分析。
搭建了BOTDA实验系统，通过实验对光纤中的应变情况进行了布里渊时域分析，并通过分析获得的数据，对系统的空间分辨率进行测量。

论文研究结果表明：DPP-BOTDA和PPP-BOTDA系统均可以实现厘米级空间分辨率，并在测量光纤上温度和应变信号时效果显著。

关键词：BOTDA系统；预脉冲泵浦技术；差分脉冲编码技术；空间分辨率；

Abstract

In this paper,the domestic and foreign development status of Brillouin optical time domain analysis technology (BOTDA) is introduced,and the principle of spontaneous and stimulated Brillouin scattering (SBS) is introduced in detail.Based on the above, several BOTDA technologies of centimeter altitude resolution are introduced in detail.This paper selects Pulse-Pre-Pump Brillouin Optical Time-Domain Analysis (PPP-BOTDA) and Differential Pulse-width Pair Brillouin Optical Time-Domain Analysis (DPP-BOTDA).Two high spatial resolution systems were simulated and analyzed, and the spatial resolution was measured experimentally to determine the centimeter resolution.The main innovations of this paper are as follows:

1. Based on the basic principles and theoretical models of DPP-BOTDA and PPP-BOTDA, the corresponding Brillouin gain model is designed and the system is simulated and analyzed.

2. The BOTDA experimental system was built. The Brillouin time domain analysis of the strain in the fiber was carried out through experiments, and the spatial resolution of the system was measured by analyzing the obtained data.

The results show that both DPP-BOTDA and PPP-BOTDA systems can achieve centimeter spatial resolution, and the effect is remarkable when measuring temperature and strain signals on optical fiber.

Keywords: BOTDA system; pre-pulse pumping technology; differential pulse coding technology; spatial resolution;

第1章绪论 1

1.1 BOTDA传感系统研究 1

1.2 高空间分辨率BOTDA系统介绍 2

1.3本文主要工作及章节安排 2

第2章厘米级空间分辨率的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布里渊散射的应变特性 5

2.2 BOTDA系统传感原理 6

2.3 PPP-BOTDA传感系统 7

2.3.1 传感系统原理 7

2.3.2 振动传感模型 7

2.4 DPP-BOTDA传感系统 9

2.4.1 传感系统原理 9

2.4.2 振动传感模型 10

2.5 本章小结 11

第3章两种高空间分辨率BOTDA系统的仿真分析 12

3.1 受激布里渊散射谱分析 12

3.2 PPP-BOTDA系统的仿真分析 13

3.3 DPP-BOTDA系统的仿真分析 16

3.4 本章小结 17

第4章 DPP-BOTDA系统传感实验 18

4.1 DPP-BOTDA系统结构设计 18

4.2 DPP-BOTDA系统空间分辨率实验 19

4.2.1实验参数，现象与定性分析 19

4.2.2数据处理和定量分析 21

4.3 DPP-BOTDA系统应变测量实验 21

4.3.1实验参数，现象与定性分析 21

4.3.2数据处理和定量分析 23

4.4 本章小结 24

第五章总结与展望 25

5.1 总结 25

5.2 展望 25

参考文献 26

第1章绪论

布里渊时域分析技术（Brilliouin optical time domain analysis，BOTDA）是一种基于光纤中的受激布里渊散射的传感技术，目前广泛应用于目标区域内应变和温度变化的测量。BOTDA系统的主要原理是将一束脉冲光和一束连续光信号通过传感光纤同时输入，在两束光的频率差和布里渊光频移基本一致时，就会发生受激布里渊散射，当光纤路径上的温度，应变发生变化时，布里渊信号的频移和幅值都会发生变化，从而实现对外界信号的测量^[1]。

目前国内外科学家都在研究如何提高BOTDA系统的测量精确度和空间分辨率，本文主要研究的就是高空间分辨率的BOTDA系统，并选择其中的两种进行仿真分析，来研究他们的空间分辨率以及布里渊增益参数。本次选择的两种系统分别是脉冲预泵浦BOTDA系统和差分脉冲对BOTDA系统，下面我将一一介绍。

1.1 BOTDA传感系统研究

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^[2]。并且经过测试，实现了分布式测量温度和应变信号。在之后的数十年内，科学家们不断对BOTDA系统进行改良和创新，不断地提高系统的测量精度和空间分辨率。

目前常见的BOTDA技术主要可以归为两大类：第一种是信号调制技术，例如脉冲预泵浦BOTDA技术,需要使用电光解调器分析信号，另一种是信号编码技术，例如差分脉冲编码BOTDA技术，在BOTDA系统中引入信号编码和解码技术，提升传输质量。两种方法都可以有效提高测量精度和空间分辨率^[3]。

2005年，日本的Neubrex和X Bao教授合作开发了脉冲预泵浦BOTDA（Pulse -Pre-Pump Brillouin Optical Time-Domain Analysis，PPP-BOTDA)系统，并通过使用带直流的窄脉冲，实现了厘米级的空间分辨率^[4]。2008年，C H Li等人在BOTDA系统中采用脉冲预泵浦技术同时获得了2 cm的空间分辨率和 25μɛ应变测量精度^[5]。2010年，M A Soto等人将光脉冲编码技术成功用于长距离BOTDA光纤传感系统，在50 km单模光纤上实现了空间分辨率1 m，温度分辨率2.2℃和应变分辨率44μɛ的应变测量^[6]。在2012年M A Soto等人采用低相对噪声分布的拉曼放大编码和归零脉冲编码实现了传输距离60km，空间分辨率达到25cm的DPP-BOTDA传感系统^[7]。

与传统的电传感器相比，分布式光纤传感系统拥有抗电磁干扰，抗辐射，耐高温等优势，还可以根据时间和空间变化进行连续测量。BOTDA系统的诞生更是大幅度提高了光纤传感的性能，使光纤传感的精度和空间分辨率大幅度提升，使其在土木结构，环境监测，航空航天等方面应用的更加广泛。

为了进一步提高BOTDA系统的空间分辨率，多年来科学家做出了许多尝试，分析出了影响长距离BOTDA系统性能的各种因素，并研究了多种可以实现高空间分辨率的BOTDA系统。

1.2 高空间分辨率BOTDA系统介绍

空间分辨率是BOTDA传感系统的一个重要参数,在传统解调方法中，主要取决于泵浦脉冲光的宽度。传统的BOTDA有一定的局限性，由于光纤内声场的激发需要一定时间，所以当脉冲宽度小于10ns时，声场不能完全激发，从而导致布里渊散射的展宽，空间分辨率因此受限制。

目前在BOTDA的应用层次上，更多的要求满足长距离传输和高空间分辨率，这也是国内外科学家的主要研究方向。常见的技术有脉冲预泵浦技术、差分脉冲编码技术、暗脉冲技术和脉冲编码技术等。

差分脉冲对布里渊光时域分析技术(Differential Pulse-width Pair Brillouin Optical Time-Domain Analysis，DPP-BOTDA）是将两个具有微小脉宽差别的脉冲对入射到传感系统中，输出两脉冲脉宽相差一个固定值，在每个布里渊扫频频率上对这两个脉冲的布里渊损耗信号进行差分运算．得到的差分布里渊损耗信号具有较窄的线宽。且由于脉冲作用时间较长．信号强度较强，从而提高了系统的测量精度和信噪比(signal noise ratio，SNR)^[8]。

脉冲预泵浦布里渊光时域分析技术PPP-BOTDA(Pulse-Pre-Pump Brillouin Optical Time-Domain Analysis)是另一种高空间分辨率的技术，主要原理是在传感脉冲光进入系统之前，系统中入射脉宽较宽、功率较低的预泵浦脉冲光，声波场由预泵浦脉冲光充分激发后，传感脉冲光进入光纤与连续探测光发生SBS相互作用，泵浦光向频率低的探测光转移能量，引起光功率谱发生变化^[9]。通过改变连续光的频率得到布里渊信号的增益谱和相移谱，从而实现温度和应变的测量。

这两种技术实现起来较为简单，效果也比较明显，虽然仍存在一些缺陷，比如脉冲预泵浦BOTDA系统需要大量的响应时间，也会消耗更多能量。差分脉冲对BOTDA需要解码编码，操作较为复杂，但仍然是目前主流的提高空间分辨率的技术方案。目前，BOTDA系统在长距离传感中使用的更加广泛，对温度和应变的精密探测要求也越来越高。高空间分辨率的BOTDA技术研究具有十分广阔的应用前景。

1.3本文主要工作及章节安排

本论文主要研究采用差分脉冲对BOTDA和脉冲预泵浦BOTDA两种高空间分辨率的BOTDA系统，主要详细分析两种技术的工作原理，构建理论BOTDA传感模型，并使用仿真软件计算得到系统的各方面参数，最后搭建实验模型，进行实验验证。

文章一共分为五个章节，第二章主要介绍了BOTDA系统的理论基础，例如布里渊散射原理，并分别介绍PPP-BOTDA和DPP-BOTDA的工作原理，再构建起假设模型。第三章主要是对理想模型使用仿真软件进行仿真，并获得布里渊增益、空间分辨率等参数，进行理论分析。第四部分是实验验证部分，在实验室使用仪器设计并搭建单光源的DPP-BOTDA系统，并测试了应变关系实验，对获得的数据进行分析和处理。第五章是对全文工作的归纳和总结，并分析了未来高空间分辨率BOTDA系统的发展方向。

第二章厘米级空间分辨率的BOTDA技术理论基础

1. 2.1光纤中的受激布里渊散射及其应变特性

2.1.1光纤中受激布里渊散射机理

在光纤这种并不均匀的物质之中，随着外部作用的影响，折射率的趋势会逐渐变得不均匀。而这种情况下光在传播的过程中则会产生散射现象，当大功率光信号注入光纤时，在激光产生的电场的作用下，会发生电致伸缩效应。能量激发电场使声波场得到了增强，产生的布里渊散射光又与声波作用，产生强度更大的相干声波场，相干声波与入射光作用产生更高强度的布里渊散射光^[10]。经过反复的相干，就会发生比自发布里渊散射强度更高的布里渊散射，即受激布里渊散射。受激布里渊散射原理图如图2.1所示：