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基于相干检测的BOTDR系统信噪比性能的研究

王锦荣  
【摘要】:基于布里渊光时域反射(Brillouin Optical Time Domain Reflectometry, BOTDR)的传感器是一种分布式光纤传感器,沿光纤可同时得到测量场在时间和空间的物理信息。然而,由于基于BOTDR的传感器中信号信噪比较低,影响其测量的空间分辨率和温度/应变分辨率,使得其无法满足实际应用场合中对测量精度的要求,极大地限制了其在实际工程中的应用。因此,本文在深入研究BOTDR传感原理的基础上,详细分析了光纤中布里渊散射的特点,提出采用布拉格光纤光栅对参考光滤波来实现参考光的稳定性,同时结合分布式拉曼放大来提高信号的信噪比,从而提高了BOTDR系统的测量精度和测量距离。 首先,分析了基于BOTDR传感器的国内外研究现状。较为详细地介绍了光纤中的布里渊散射基本原理,研究了布里渊频移、功率和温度、应变的关系以及布里渊信号相干外差检测技术,为之后整体系统的设计奠定了理论基础。 其次,针对光相干外差检测中参考光不稳定性进行了详细研究。通过分析铌酸锂电光强度调制器的工作原理及其影响因素,获得了具有布里渊频移的参考光。利用布拉格光纤光栅实现了参考光的滤波,并通过实验验证了参考光经布拉格光纤光栅滤波后能够长时间保持稳定。 再次,研究了拉曼放大的机理、分类、泵浦方式等相关理论,并对不同种类的拉曼放大和不同的泵浦方式进行了比较。通过实验验证了加入分布式拉曼放大后能够提高BOTDR系统中信号的信噪比。 最后,通过理论和实验分析,设计了一套基于布拉格光纤光栅滤波和拉曼放大的BOTDR分布式温度测量系统。通过实验对其可行性进行了验证,并完成了温度测量实验。


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