脉冲划分法提高BOTDA系统空间分辨率的仿真分析开题报告

 2020-02-10 10:02
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)

1.1研究的目的及意义

基于布里渊散射传感技术不仅能够对温度变化测量而且对应变的变化非常灵敏,其散射光强相对于拉曼散射高2-3个数量级。基于布里渊散射的分布式光纤传感技术主要利用光纤的相关物理特性对被测量场的空间和时间行为进行实时监测,可用于长距离、大规模工程的动态检测,对温度及应变场分布的有效监测有着重要的应用价值,是传感器研究的热点课题之一。

BOTDA的空间分辨率主要由探测脉冲的宽度决定,其与脉冲宽度成反比,脉冲越窄,空间分辨率越高。但当脉冲宽度小于声子寿命10ns时,布里渊谱会急剧展宽,导致布里渊信号的增益变小,使得产生较大的测量误差,因此BOTDA的探测脉冲宽度不能小于10ns,传统BOTDA系统中空间分辨率的极限为1m。另外,在进行长距离传感时,为了获得能量足够大的散射信号,需要使用长脉冲,这就会使空间分辨率变差。在实际应用中,空间分辨率是传感系统一个至关重要的指标,它决定了传感系统所能感知到事件的最小长度,因此提高BOTDA的空间分辨率具有非常重要的实际意义。

脉冲划分分析的方法用于提高传统长脉冲布里渊光时域分析(BOTDA)系统的空间分辨率。一个专门的光电探测器被用来准确获得长脉冲的能量分布,据此能量分布长脉冲可以被划分为若干个具有确定能量权重的子脉冲。由长脉冲产生的布里渊光谱可以依据前面获得的能量权重划分为相同数量的子布里渊光谱。由每个子布里渊光谱可以获得其对应的子光纤段的温度(应变)信息。因此BOTDA系统实际的空间分辨率不是由测量时使用的脉冲决定,而是由划分后的子脉冲宽度决定。结果就是,根据划分的倍数,空间分辨率可以成倍的提高。

1.2研究背景

自从上世纪90代研究者们发现了布里渊散射与温度和应力的关系,发展出基于布里渊散射的分布式光纤传感技术便受到人们的广泛关注,在1989年日本科学家Horiguchi等人根据SBS原理提出了布里渊光时域分析技术。它采用相向传输的连续探测光来与泵浦脉冲进行SBS作用,通过探测两路光的最大能量传递情况下的布里渊频移,根据频移大小反推出应变或温度始的变化,并利用光对域反射技术定位到光纤中的位置。

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