【摘 要】
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分布式光纤传感器具有小巧、轻质、抗电磁干扰、空间连续测量等优点,被广泛用于大型基础设施监测、地质灾害预防、地球物理探测等领域。其中布里渊光时域分析（BOTDA）技术具有传感距离长、空间分辨率高、对温度应变同时敏感等优点,具有重要的研究与应用价值。基于单模光纤的BOTDA系统目前被广泛用于分布式温度和应变测量,然而在其他物理量的测量中却受到了诸多限制。在分布式曲率测量中,单模光纤布里渊频移的低弯曲灵
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分布式光纤传感器具有小巧、轻质、抗电磁干扰、空间连续测量等优点,被广泛用于大型基础设施监测、地质灾害预防、地球物理探测等领域。其中布里渊光时域分析（BOTDA）技术具有传感距离长、空间分辨率高、对温度应变同时敏感等优点,具有重要的研究与应用价值。基于单模光纤的BOTDA系统目前被广泛用于分布式温度和应变测量,然而在其他物理量的测量中却受到了诸多限制。在分布式曲率测量中,单模光纤布里渊频移的低弯曲灵敏度以及高弯曲损耗严重制约了其在实际场景中的应用,而且在小弯曲半径下的分布式测量精度还受到了系统空间分辨率的影响。针对上述问题,创新性地提出了基于抗弯曲损耗环芯光纤的分布式曲率测量技术,其布里渊频移弯曲灵敏度可达单模光纤的4倍以上。针对环芯光纤小弯曲半径测量精度受到空间分辨率限制的问题,提出了基于全变差反卷积算法的高空间分辨率BOTDA系统,将60/40 ns差分脉冲对测量结果的空间分辨率最高提升至0.5 m。在此基础上,又提出了基于卷积神经网络的高空间分辨率布里渊频移提取技术,无需改变硬件条件即可从40 ns泵浦脉冲测量结果中分别提取1 m以及0.5 m空间分辨率布里渊频移分布。主要研究工作和创新成果总结如下:（1）针对单模光纤布里渊频移弯曲灵敏度低、弯曲损耗大的问题,提出了基于环芯光纤的分布式曲率测量方案。使用BOTDA系统实现了弯曲半径0.5-1.5 cm的分布式曲率测量,其对应的布里渊频移变化为32.9-7.81 MHz。由于环芯光纤在0.5 cm弯曲半径下的弯曲损耗小于0.01 d B/圈,因此所提出的方案十分适合极端弯曲条件下的分布式曲率测量。（2）为了提升BOTDA系统的空间分辨率,提出了基于全变差反卷积算法的高空间分辨率BOTDA系统。通过差分脉冲对技术消除了布里渊增益与失谐频率之间的依赖关系,从而使用全变差反卷积算法获得了无畸变的高空间分辨率布里渊增益谱。实验结果表明,所提出的方案可以从60/40 ns差分脉冲对测量结果中恢复得到1 m以及0.5 m空间分辨率。同时,与差分脉冲对技术相比,全变差反卷积算法在1 m以及0.5m空间分辨率下分别获得了5.9以及7.9 d B信噪比提升。（3）为了避免传统高空间分辨率BOTDA系统中的脉冲差分过程,提出了基于卷积神经网络的高空间分辨率布里渊频移提取技术。通过使用仿真得到的布里渊增益谱以及对应的布里渊频移对卷积神经网络进行训练,使得训练好的网络能够从长泵浦脉冲测量结果中直接提取高空间分辨率传感信息。实验中,网络能从40 ns泵浦脉冲测量结果中分别提取1以及0.5 m空间分辨率布里渊频移分布。与差分脉冲对技术相比,所提出的方案避免了脉冲差分过程,因此仅需一半的测量时间。同时在1 m以及0.5 m空间分辨率下,网络输出结果不确定度仅为差分脉冲对技术的0.7以及0.49倍。除此以外,卷积神经网络处理10000个布里渊增益谱只需约0.14 s,可以实现实时信号处理。通过将所提出的算法应用于环芯光纤分布式曲率测量中,空间分辨率从1.1 m提升至0.4 m,为实现快速、准确的分布式曲率测量提供了可行方案。
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