BOTDR傳感系統(tǒng)性能提高方法的理論與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、電力線纜和設(shè)備是保證電力傳輸、信息交換和電磁能量轉(zhuǎn)換的重要紐帶，實(shí)時(shí)獲取其運(yùn)行狀態(tài)，確保其安全穩(wěn)定工作，對(duì)保障經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展具有重大意義。電力線纜鋪設(shè)線路長(zhǎng)且易受外界環(huán)境因素影響，利用具有單端測(cè)量和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特性的布里淵光時(shí)域反射(BOTDR)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)電力線纜和設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本文分析了自發(fā)布里淵散射和受激布里淵散射(SBS)的特性，提出了基于布里淵散射譜寬的光纖SBS閾值測(cè)量方法;提出了基于時(shí)域和譜域整形的BOTDR溫度測(cè)量方法

2、，并結(jié)合布里淵散射譜和布里淵功翠進(jìn)行了階梯光脈沖的最佳化設(shè)計(jì);研究了光源頻率不穩(wěn)定性對(duì)布里淵散射信號(hào)的影響，提出了瑞利和布里淵自外差檢測(cè)BOTDR溫度測(cè)量方法，以及減小光纖溫度測(cè)量誤差的有效方法，旨在為電力線纜溫度的高準(zhǔn)確度測(cè)量提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴通過建立描述受激布里淵散射作用的數(shù)學(xué)模型解析了SBS耦合波方程組，推導(dǎo)了布里淵散射譜寬與入纖光功率的關(guān)系，提出了基于布里淵譜寬的光纖SBS閾值測(cè)量新方法;

3、研究了外差檢測(cè)布里淵散射譜測(cè)量系統(tǒng)中的噪聲成分和系統(tǒng)信噪比，提出了利用系統(tǒng)信噪比變化特性確定最佳入纖光功率和最佳本振光功率的方法。⑵提出了利用階梯脈沖調(diào)制解決BOTDR系統(tǒng)空間分辨率和測(cè)量精度相互制約問題的方法，利用受激布里淵穩(wěn)態(tài)方程的瞬態(tài)分析方法求解了階梯光脈沖在光纖中傳輸時(shí)SBS作用的數(shù)學(xué)模型，通過預(yù)泵浦脈沖和傳感脈沖的SBS作用實(shí)現(xiàn)了布里淵譜的整形和傳感信號(hào)功率的放大;根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)最佳化設(shè)計(jì)了階梯光脈沖，仿真比較了不同脈沖調(diào)制

4、時(shí)的系統(tǒng)性能;設(shè)計(jì)并搭建了基于階梯脈沖調(diào)制的BOTDR溫度測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了階梯脈沖調(diào)制BOTDR系統(tǒng)有效地解決了空間分辨率和測(cè)量精度之間的矛盾。⑶針對(duì)傳統(tǒng)窄譜光源BOTDR系統(tǒng)性能提高受光纖SBS閾值限制的問題，提出了基于多模法布里-珀羅激光器的移頻本地外差檢測(cè)BOTDR傳感系統(tǒng);研究了布里淵疊加譜峰功率和譜寬、系統(tǒng)信噪比和頻移測(cè)量精度與縱模數(shù)的關(guān)系，計(jì)算得到了最優(yōu)測(cè)量精度時(shí)的縱模數(shù)與脈沖寬度和縱模間隔的關(guān)系及相應(yīng)的擬合公式，對(duì)

5、基于多波長(zhǎng)光源的BOTDR系統(tǒng)建模分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值;根據(jù)布里淵散射疊加譜的傳輸特性和高精度特征提取的要求，提出了Pseudo-Voigt基函數(shù)和萊文伯格-馬夸爾特優(yōu)化算法對(duì)布里淵疊加譜進(jìn)行特征提取，為多波長(zhǎng)布里淵光纖傳感系統(tǒng)有用信息的準(zhǔn)確提取提供了有效可行的方法。⑷分析了光源頻率不穩(wěn)定性對(duì)外差檢測(cè)布里淵散射信號(hào)的影響，建立了外差檢測(cè)布里淵信號(hào)與光源輸出光頻率的關(guān)系模型，提出了消除光源頻率不穩(wěn)定性影響的瑞利和布里淵自外差檢