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分布式光纤传感技术作为一种新兴的温度和应变测量技术,是目前国内外传感领域中的研究热点,不仅具有抗电磁干扰、体小质轻、耐高温、耐腐蚀等优点,且可以对整条传感光纤沿线的相关物理参量进行连续测量。分布式光纤传感技术能够应用于城市煤气管道、输电/通信电缆、水库大坝、桥梁、隧道、高速公路、海底输油管道等大型工程设施温度和应变的监测,具有广泛的应用前景。
本文调研了国内外相关技术文献,对温度应变双参量同时测量的分布式光纤传感技术进行了较为深入的研究探索,改进了原课题组搭建的单参量测量BOTDR系统,并提出了基于信号增敏和小波去噪等技术的系统信噪比优化方法,实现了高精度温度应变双参量的同时测量。主要研究内容及研究结果如下:
1.深入分析了拉曼光纤传感技术,搭建了长距离拉曼光纤传感系统,讨论了系统信噪比问题并提出了相应的解决方法,最终在24.7km的光纤长度下进行了温度测量实验,系统的性能指标为:空间分辨率10m,测温精度±9℃,测量时间4s。采用累加平均结合小波去噪技术,使系统测温精度从原来的±9℃提高为±3℃,为联合拉曼散射和布里渊散射进行高精度温度应变双参量同时测量创造了条件。目前,国内外领先的技术指标为:测量距离30km、温度精度±1℃、测量时间10s。与之相比,我们的系统测量距离较短、测量精度较低,但通过提高测量时间,可进一步提高测温精度。
2.在原课题组搭建的BOTDR系统中进行单参量(温度或应变)测量实验,采用具有增敏作用的高频脉冲检波管对布里渊散射信号进行直接检测,信号经小波去噪后解调得到测量距离24.7km、空间分辨率10m、测温精度±3℃或应变测量精度±180με的实验结果。该方法提高了布里渊功率对温度应变的灵敏度,为布里渊光纤传感系统高精度温度应变双参量同时测量提供了可能。
3.针对目前国内难以实现布里渊分布式光纤传感系统温度和应变双参量同时测量的问题,搭建了两个温度和应变双参量同时测量的分布式光纤传感系统:(1)改进课题组原先搭建的单参量测量BOTDR系统,通过扫频模块测量布里渊频移和具有增敏作用的高频脉冲检波管测量布里渊散射功率,进而实现温度和应变的同时测量,在24.7km的传感距离内得到10m的空间分辨率、±6.5℃的温度精度和±190με的应变精度。T.P.Newson等人得到的技术指标为:测量距离30km、空间分辨率20m、温度精度±4℃和应变精度±100με,与其相比,仍有一定差距。(2)在课题组原先搭建的BOTDR系统基础上添加拉曼光纤温度传感系统,构成基于拉曼和布里渊散射效应的双模式双光源光纤传感系统,采用拉曼散射光强测温、布里渊频移测应变的方式进行高精度温度和应变双参量的同时测量,在同样的传感距离内得到10m的空间分辨率、±1.5℃的温度精度和±50με的应变精度。T.P.Newson等人得到的技术指标为:测量距离23km、空间分辨率10m、温度精度±6℃和应变精度±150με,与其相比,在测量精度上有了很大的提高。