基于B-OTDA技术的长距离火灾预警系统

论文摘要

基于布里渊效应的分布式光纤温度传感器,与其他普通温度传感器相比,在长距离的火灾预警检测中具有无可比拟的优势。然而传统的布里渊分布式光纤传感器采用的是集中放大的方式,传感光纤后端存在大范围的低信噪比区域,严重影响其实用性。本文研究一种新型的基于BOTDA（Brillouin Optical Time Domain Analysis）技术的分布式光纤传感火灾预警系统。该系统首先通过在传感光纤双端加入拉曼放大的方式,补偿了传感器后端的低信噪比区域;并且将辛普森编码（Simplex codes,scs）引入到布里渊分布式光纤传感器中,实现了整段传感光纤的高精度测量。文中通过建立与拉曼放大有关的泵浦光和信号光的耦合方程,对信号光波形进行了数值仿真,并搭建系统进行了试验,试验结果与仿真数据吻合较好;文中还阐述了S变换（S-Transform）在布里渊分布式光纤传感系统的信噪比增益原理,搭建了基于辛普森编码和拉曼放大结合的布里渊分布式光纤传感系统,试验结果表明,采用辛普森编码可有效提升传感信号的信噪比。本课题主要从延长传感距离、提高系统整体分辨率以及BOTDA实用化三个方面做了大量的工作,具体工作主要集中于以下几个方面:（1）本文总结了分布式光纤传感系统发展历程及研究现状。（2）本文总结了世界各大公司推出的BOTDA的产品指标。（3）对基于拉曼放大的布里渊光时域分析系统（BOTDA）进行了数值仿真,并得出了双端拉曼放大技术可以有效地补偿传感信号的传输损耗,提高系统测量精度的结论。（4）搭建了基于拉曼放大和半导体光放大（SOA）相结合的BOTDA分布式光纤传感系统,实验结果与仿真结果吻合较好,在49.6 km的传感距离上,得到了空间分辨率为40 m,温度分辨率为1 oC的结果。（5）叙述了S变换在BOTDA系统的信噪比增益原理。搭建了基于辛普森编码的BOTDA系统,试验结果表明,辛普森编码可有效提升BOTDA系统的信噪比。（6）在试验的基础上,搭建了基于布里渊散射的分布式长距离火灾预警样机,并给出了样机的测试结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 分布式光纤传感器的概述及发展趋势
• 1.1.1 分布式光纤传感器概述
• 1.1.1.1 引言
• 1.1.1.2 特点
• 1.1.1.3 分类
• 1.2 物联网时代对分布式光纤传感器的需求
• 1.3 分布式光纤传感器国内外研究现状
• 1.3.1 分布式光纤传感器发展概述
• 1.3.2 目前国际上研发的成熟BOTDA 产品
• 1.4 课题的研究意义及主要研究内容
• 1.4.1 课题的意义
• 1.4.2 课题主要研究内容
• 第二章 基于混合放大的布里渊光时域分析系统仿真及试验
• 2.1 BOTDA 测量原理介绍
• 2.1.1 BOTDA 测量的基本原理
• 2.1.2 空间分辨率与泵浦脉宽的关系
• 2.1.3 DPP-BOTDA 和PPP-BOTDA 基本原理
• 2.1.4 传统BOTDA 存在的缺陷
• 2.2 基于拉曼放大的布里渊光时域系统仿真
• 2.2.1 理论基础
• 2.2.2 仿真过程
• 2.2.3 仿真结果
• 2.3 基于拉曼放大和SOA 混合放大的试验结果
• 2.4 仿真结果和试验结果对比
• 2.5 本章小结
• 第三章 拉曼放大与编码理论相结合的BOTDA 理论及试验
• 3.1 引言
• 3.2 阿达玛变换原理
• 3.2.1 基本原理
• 3.2.2 光信息处理时矩阵的选择
• 3.3 阿达玛变换在BOTDA 系统中的应用
• 3.3.1 三阶矩阵在BOTDA 系统中的信噪比增益
• 3.3.2 L 阶矩阵在BOTDA 系统中的信噪比增益
• 3.3.3 编码长度与信噪比增益的关系
• 3.4 阿达玛变换在BOTDA 系统中的应用试验结果
• 3.4.1 试验系统
• 3.4.2 试验过程及结果
• 3.5 本章小结
• 第四章 长距离BOTDA 分布式光纤传感火灾预警系统构成
• 4.1 引言
• 4.2 系统中关键器件的选用
• 4.2.1 可调谐DFB 型激光器模块
• 4.2.2 系统所用的调制器
• 4.2.3 系统所用的放大器
• 4.2.4 系统所用的光电探测器
• 4.3 系统的软件
• 4.3.1 软件流程图
• 4.3.2 系统软件界面
• 4.4 样机性能测试试验
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论及展望
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历
• 攻硕期间取得的研究成果