BOTDR傳感系統(tǒng)性能提高方法的理論與實驗研究.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，實時獲取其運行狀態(tài)，確保其安全穩(wěn)定工作，對保障經(jīng)濟和社會發(fā)展具有重大意義。電力線纜鋪設(shè)線路長且易受外界環(huán)境因素影響，利用具有單端測量和結(jié)構(gòu)簡單等特性的布里淵光時域反射(BOTDR)技術(shù)可實現(xiàn)電力線纜和設(shè)備狀態(tài)的實時監(jiān)測。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閾值測量方法;提出了基于時域和譜域整形的BOTDR溫度測量方法

2、，并結(jié)合布里淵散射譜和布里淵功翠進行了階梯光脈沖的最佳化設(shè)計;研究了光源頻率不穩(wěn)定性對布里淵散射信號的影響，提出了瑞利和布里淵自外差檢測BOTDR溫度測量方法，以及減小光纖溫度測量誤差的有效方法，旨在為電力線纜溫度的高準(zhǔn)確度測量提供理論依據(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閾值測量新方法;

3、研究了外差檢測布里淵散射譜測量系統(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作用實現(xiàn)了布里淵譜的整形和傳感信號功率的放大;根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)最佳化設(shè)計了階梯光脈沖，仿真比較了不同脈沖調(diào)制

4、時的系統(tǒng)性能;設(shè)計并搭建了基于階梯脈沖調(diào)制的BOTDR溫度測量系統(tǒng)，實驗結(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量精度之間的矛盾。⑶針對傳統(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)信噪比和頻移測量精度與縱模數(shù)的關(guān)系，計算得到了最優(yōu)測量精度時的縱模數(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

5、基于多波長光源的BOTDR系統(tǒng)建模分析和優(yōu)化設(shè)計具有重要的參考價值;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)化算法對布里淵疊加譜進行特征提取，為多波長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)定性對外差檢測布里淵散射信號的影響，建立了外差檢測布里淵信號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