【摘 要】
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基于布里渊散射的分布式光纤传感技术（DOFS）,可同时测量数十公里或数百公里光纤任意位置的温度和应变,并具有高精度、高空间分辨率、低成本和持久耐用等特点,已成为国内外研究的热点,广泛应用于公路、电力、石化等行业的数字化健康监测中。实际应用中,布里渊光时域反射仪（BOTDR）由于可以在光纤断裂后持续测量断点前的温度和应变,具有单端测量的优势,因而在工程应用中有重大意义。传统的BOTDR系统因自发布里
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基于布里渊散射的分布式光纤传感技术（DOFS）,可同时测量数十公里或数百公里光纤任意位置的温度和应变,并具有高精度、高空间分辨率、低成本和持久耐用等特点,已成为国内外研究的热点,广泛应用于公路、电力、石化等行业的数字化健康监测中。实际应用中,布里渊光时域反射仪（BOTDR）由于可以在光纤断裂后持续测量断点前的温度和应变,具有单端测量的优势,因而在工程应用中有重大意义。传统的BOTDR系统因自发布里渊散射信号信噪比较低,需要进行大量的平均过程以提高信噪比,使得系统对温度和应变信息的解调速度十分缓慢,影响其在一些如火灾预警,危化品储存设施安全监测等对系统响应速度有较高要求的场景的应用。针对BOTDR系统解调算法优化和储油罐的温度和应变监测,本文开展了以下研究:（1）在学习了布里渊散射效应的温度和应变传感理论,布里渊散射信号的特点和布里渊散射谱的特性基础上,设计并搭建了BOTDR传感系统。（2）在基于传统短时傅里叶变换BOTDR（STFT-BOTDR）系统的基础上,采用GPU-STFT并行处理的方式改善CPU-STFT在布里渊散射信号频谱变换过程处理速度过慢的问题,并对影响GPU-STFT算法的因素进行了分析。在GTX1080ti（12GB）显卡硬件下,对5.12km光纤,8192次平均,输出为10240个位置点的STFT过程进行了测试,结果显示较传统在CPU上基于C语言FFTW（CPU上最快的FFT算法）的STFT算法有21倍左右的效率提升。其后在GPU-STFT算法优化解调布里渊散射谱的基础上,利用主成分分析（PCA）模式识别的方法改善传统迭代拟合（CFM）方式从布里渊散射谱中解调布里渊频移（BFS）速度过慢的问题,并对影响PCA模式识别算法计算效率的诸多因素进行了分析,最终实现了BFS提取过程60倍左右的效率提升。综合分析GPU-STFT+PCA模式识别较CPU-STFT+CFM拟合对STFT过程和BFS提取过程整体的加速性能,在5.12km光纤,8192次平均,输出为10240个位置点的条件下,STFT过程由118.962s缩短为5.579s,BFS提取过程由19.632s缩短为0.3263s,整体STFT+BFS提取过程由138.594s缩短为5.905s,实现了23倍左右性能提升。（3）开展了快速解调BOTDR系统在石油储罐温度和应变监测的初步研究,考虑到储油罐易因温度变化或进出油产生形变,选择了七种不同保护结构的光纤,测试了它们的应变屏蔽能力和应变测量能力,结果表明国产TZ03/A光纤应变屏蔽能力和康宁900微米紧套光纤应变测量能力最好;随后设计了光纤的铺设方案,采取应力集中的方式,去除测温光纤内部结构的扭转力;最后对在日照、环境温度和油温的共同作用下储油罐壁面温度和应变的变化进行了测试。通过与温度计比对,结果表明本文设计的快速BOTDR系统温度解调结果与温度计变化趋势一致;应变变化则表现为高温区应变较大,低温区较小的分布。
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