基于分布式应变测量的光纤形状传感研究

【摘要】：光纤传感技术是一种以光波为载体、光纤为媒质、感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。近年来,该技术已经逐步发展到各个领域。布里渊光时域分析(Brillouin optical time domain analysis,BOTDA)是分布式光纤传感技术的重要内容,以脉冲光和连续光相互作用产生受激布里渊散射为原理实现分布式测量。该技术具有空间分辨率高和传感距离长的特点,可被广泛应用于航空航天、国防建设等重要领域。本文利用该技术测量光纤的分布式应变,利用光纤应变系数得到BFS的变化情况,并结合相关算法将形状还原出来,从而实现形状传感。具体研究内容如下:首先,阐述了传统的BOTDA技术的相关原理,并解释了差分脉冲对(differential pulse-width pair,DPP)BOTDA技术提高空间分辨率的原理;推导了布里渊频移与光纤曲率之间的关系和Frenet-Serret公式在形状还原中的表达形式。其次,搭建了实验所用的DPP-BOTDA系统,设计并制作了二维和三维形状传感实验的传感器,完成了形状传感的测量。在二维形状传感实验中,验证了布里渊频移变化量与光纤弯曲曲率的关系,并对二维的形状进行了数据采集;在三维形状传感实验中,找到了多芯光纤各纤芯的位置,并将其与单模光纤进行低损耗对接,对三维的形状进行了数据采集。最后,利用理论得到的布里渊频移和光纤曲率、扭率之间的关系,基于Frenet-Serret公式编写算法,分别还原了在二维和三维情况下搭建的形状,并分析了误差的产生原因。