厘米级空间分辨率的BOTDA系统设计与仿真分析开题报告

 2020-02-10 11:02
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)


1.1目的及意义

布里渊光时域分析技术(Brilouin Optical Time-Domain Analysis,BOTDA),是通过脉冲对光纤上各点的温度,应变等传感信号进行定位,实现传感参数沿光纤长度方向的空间分布情况的测量技术。基于BOTDA的分布式光纤传感器利用探测光和脉冲泵浦光之间产生的受激布里渊散射,通过受激布里渊效应放大探测光,实现接收信号强度大,测量精度高和宽的动态范围等特性。在长距离和高精度测量领域相比于红外传感,超声波传感等传感技术存在更明显的优势。

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,导致脉冲和连续光的相互作用长度的极限10ns(即空间相互作用长度1m),空间分辨率因此受限制。为了提高BOTDA系统的空间分辨率,除了改变泵浦脉冲光宽度的方法,通过分析布里渊散射传感原理,理论上可以使用其他方法提高实际测量空间分辨率,从而实现厘米级空间分辨率。

目前BOTDA传感系统的研究日益成熟,在温度和应变传感领域的方面存在着巨大的发展潜力,理论上可以应用在电力系统,水力系统和管道或隧道等长距离智能监测中,因此国内外的众多研究人员开展了大量研究。空间分辨率的高低决定了系统的性能,因此提高空间分辨率是重点的发展方向。这次通过对世界上现有的厘米级高空间分辨率系统进行仿真分析,来了解这项技术的发展前景。

1.2国内外发展概况

日本NTT公司的T.Horiguchi等人于1989年首先提出了BOTDA技术,后来BOTDA技术发展成为一种用于测量温度和应变的光纤传感技术,实现了分布式测量。BOTDA技术的原理如图1所示,脉冲光和连续光分别从传感光纤两端注入,当二者的频差等于布里渊频移时,发生受激布里渊散射作用,两者之间发生能量转移,频率高的光信号对频率低的光信号产生放大作用。由于布里渊散射的信号不好测量,一般通过连续光的频移来确定温度或应变系统。

基于布里渊散射式的分布式传感在过去 15 年中已经被广泛地研究。最初的研究重点是如何在扩展传感长度到数十千米的情况下保持 1m的空间分辨率。

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