论文部分内容阅读
布里渊光时域反射(Brillouin optical time domain reflectometry,BOTDR)系统是基于自发布里渊散射的全分布式光纤传感技术,通过检测布里渊散射谱频移和强度变化实现光纤上应变或温度变化的测量,但BOTDR系统布里渊散射信号较为微弱,限制了系统性能的提高。本文主要对脉冲预泵浦编码多波长BOTDR系统进行理论研究和仿真,将波长扫描技术引入外差BOTDR中,并进行理论分析和实验验证,提高系统信噪比,增加传感距离。本文首先介绍BOTDR系统发展现状,研究了光纤布里渊散射基本理论,分析了布里渊频移与温度和应变之间的关系,对温度和应变测量方法进行了探讨。研究了脉冲预泵浦编码的原理,介绍多波长激光产生的方法,并对不同数目的波长对系统信噪比的影响进行分析。分别设计基于本地外差和自外差检测的系统模型,对脉冲预泵浦编码多波长BOTDR自外差检测时的编解码进行了理论分析,得到系统解码后光电检测器输出信号的数学表达式;分析系统存在的噪声,并以三波长为例推导系统信噪比和编码增益的数学表达式。研究SBS阈值对系统性能的限制,采用预泵浦脉冲脉冲宽度150 ns,传感脉冲8 ns进行格雷编码,利用MATLAB仿真分析系统信噪比,编码增益与编码长度的关系,得到系统的最佳编码长度为128位;分析了最佳编码长度时信噪比、温度分辨率、应变分辨率三者之间的关系。结果表明采用128位脉冲预泵浦编码自外差检测时信噪比约为60.5 dB,温度分辨率能到0.65℃,应变分辨率为12με。对采用波长扫描的BOTDR系统,分析系统存在的噪声,理论分析波长扫描的扫描数目和扫描间隔对信号幅度波动的影响。设计并搭建基于本地外差和自外差的波长扫描BOTDR系统,实验中采用130 ns脉宽调制信号,选择波长扫描范围为1550.12~1550.22 nm,扫描步进为0.01 nm。实验结果表明本地外差时单个波长的温度分辨率为1.53℃,经过两次波长扫描平均后减小至0.73℃,系统温度测量误差提高了0.8℃,信号幅度波动减小了约0.992 dB,信噪比提高了15.4dB,且经波长扫描后,可有效降低系统相干瑞利噪声,进而提高系统信噪比。波长扫描单波长BOTDR自外差实验中温度测量误差为0.56℃,相比于单波长系统2.15℃温度测量误差提高了1.59℃,信号幅度波动减小了约0.7 dB,信噪比提高了约20 dB。