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用于BOTDA光纤传感系统的数据处理方式的研究

李嘉琪  
【摘要】:随着工业化水平的发展,分布式光纤传感系统由于其天然具有的重量轻、抗干扰能力强、体积小、耐高压、耐腐蚀、电绝缘性能好、成本低等独特优势,得到了越来越多研究者的垂青。光纤传感器通常会掩盖铺设于被测物的内部或表面,可以实现对参数变化的实时监测,适用于结构健康监测和灾害的预警,也能适应人类社会大范围网络化和智能化的发展需求。它完全克服了点式传感器难以全方位监测被测场的缺陷,而且具有传统的传感器所不具备的优势,因而在能源、电力、航空航天、建筑、通信、交通、安防、军事等诸多领域的故障诊断及事故预警中展现出十分诱人的应用前景。光纤传感的基本工作原理即在受到应力、温度等外界环境因素的影响时,光波容易受到这些外在因素的影响(场或量的调制),导致其特性参数如强度,相位,频率,极化方式等会发生相应变化,通过检测这些变化的量,就可以解调获得外界被测温度或应变信息的变化情况,从而实现传感。而基于受激布里渊散射光时域分析技术(Brillouin Optical Time Domain Analysis,BOTDA)的分布式光纤传感系统,是通过利用光在光纤中发生的受激布里渊散射效应受到外部温度或应变影响时产生频移变化的机理制作而成的传感测量系统。本文主要提出用于BOTDA光纤传感系统的数据处理方式,并通过温度测量实验来验证方案的有效性。当前BOTDA系统在测量精度、空间分辨率、传感距离等方面的研究较多,技术较为成熟,而本文主要聚焦于对BOTDA系统温度传感数据的快速处理,在不增加系统复杂度的前提下,探索新的数据处理方式力求减少数据处理步骤及时间,避免使用大量累加平均去噪,减小拟合算法及去噪过程中参数设定的影响。全文首先从总体上全面介绍了基于瑞利、拉曼、布里渊三种散射效应的分布式光纤传感系统的传感机理和基本结构,着重阐述了基于BOTDA技术的分布式光纤传感系统的基本原理,给出了描述受激布里渊散射过程的三波耦合方程及其数值解,对受激布里渊散射阈值与光纤长度的关系做了分析,对应用于系统搭建的关键器件、系统指标做了介绍。搭建了一套基于BOTDA技术的分布式光纤传感实验系统,自制了用于调制产生不同脉宽的泵浦光脉冲的FPGA脉冲发生器和基于Labview的小波滤波处理模块,对比了经过偏振处理和不经过偏振处理的传感数据噪声性能,完成了系统测试。通过对布里渊散射谱和图像处理的对比研究,发现布里渊散射谱具有图像特征。图像处理具有全局性,通过图像处理可以减少传统的光纤传感解调中大量累加平均计算、多个突变位置拟合而造成的系统负荷与延迟。图像处理中的边缘是图像上灰度变化明显的交界处,而布里渊散射谱中,增益谱的形态变化也近似于图像中的灰度变化,根据边缘检测原理,可以利用或改进边缘检测模板,对布里渊增益谱做边缘检测进行锐化识别,通过锐化后峰值对比来提取布里渊频移变化特征。本文中着重研究了基于Sobel算子的边缘检测在布里渊频移变化特征提取中的应用,推导了与累加平均相比缩短测量时间的原理性公式,并通过实验验证了改进后的Sobel算子在布里渊增益谱频移变化特征提取中的有效性,且验证了改进后的Sobel边缘检测具有一定的二次去噪能力,在14km传感距离上实现了10m的空间分辨率,温度测量最大标准差约为1.3℃。与传统的布里渊散射谱拟合相比,采用图像处理方式具有更好的全局性,避免了在多个位置发生突变时的重复多次拟合操作,大大减少了数据处理步骤和处理时间。在数据处理过程中,本文还提出了将主元分析法(Principal Component Analysis,PCA)应用于布里渊散射谱的去噪识别。由于PCA处理过程中不受参数设定的影响且处理结果只和数据本身有关,因此该去噪方法也不受参数设定的影响,同时也避免了大量数据累加平均。该方法通过“降维”的方式对数据中的主要成分进行分析,最后选取主要成分所在维度的数据进行图像重构,从而快速恢复布里渊增益谱。通过基于PCA-Sobel相结合的方法来进行布里渊频移变化特征提取,并通过实验验证了方法的有效性,在14km光纤上实现了10m的空间分辨率,温度测量最大标准差约为1.3℃。本文还提出了一种基于双峰布里渊散射谱的交叉敏感测量系统。该系统利用两个不同波长泵浦光在光纤中激发产生两个增益谱,每个增益谱在同一温度或应变刺激下产生不同的布里渊频移这一原理,通过双频移矩阵法实现对温度和应变的交叉敏感测量,并在现有实验设备和条件下,对该思路进行了仿真和实验光谱分析。同时根据两个泵浦光在光纤中产生两个布里渊增益谱的机理,通过调节两个泵浦光波长间隔来实现布里渊增益谱的叠加,叠加后的布里渊增益谱线宽会出现较明显的增加,这在基于斜坡法的微振动测量中,可以增加振动测量范围,本文对这一过程进行了仿真分析。


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