光纤布里渊分布式高性能传感技术研究

电力、热力、燃气及水生产和供应业

针对传感系统性能指标相互制约、难以同时提高，传统的曲线拟合法存在拟合不准确和耗时等问题，本成果的创新之处体现在以下方面： 1、提出了布里渊频移的精确提取方法：解决了布里渊散射谱形状不统一、谱峰捕捉困难导致测量精度下降的问题，大幅降低了非对称扫频跨度对布里渊散射谱特征提取精度的影响； 2、提出了基于神经网络的温度特征直接提取方法：构建了布里渊散射谱与温度特征参数的直接映射关系，避免了布里渊频移的求解过程，实现了温度特征参数的快速准确提取； 3、提出了基于相移键控脉冲编码降低相干瑞利噪声的新方法，以单模光纤与多模光纤结合的方法，设计了不同结构的抗弯曲光纤传感器，实现了抗弯曲光纤传感器的温度传感测量； 4、提出了分布式振动传感方法，构建了布里渊相移与振动的相互转化关系，并通过双边带、自外差、平衡探测等方法实现了高性能的振动测量。 本成果可应用于电力线缆、油气管道、交通隧道等大型建筑结构的健康状态监测领域。

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布里渊分布式光纤传感器以其抗电磁干扰、耐腐蚀、高绝缘性、测量范围广等优点，正逐步取代现有电类传感器。采用本成果，可提高布里渊分布式光纤传感系统的测量精度和测量速度，满足多种应用场合对准确而快速获取测量信息的需求，市场前景广阔。 本成果能够有效提高布里渊分布式光纤传感系统的测量精度和测量速度，使其满足具体应用场合对测量精度和实时性的要求，提高电力线缆、油气管道、交通隧道等大型建筑结构健康状态监测的有效性。

北京市昌平区人民政府

基于布里渊散射的分布式光纤传感技术凭借其独特的优势成功应用于电力线缆、石油管道、交通隧道等大型建筑结构的健康状态监测。光纤沿线的温度、应变、振动等信息可以通过测量布里渊散射谱并提取其特征参数得到，而传统的曲线拟合法存在拟合不准确和耗时等问题，而且系统噪声和光纤弯曲等因素也严重影响了布里渊分布式光纤传感系统的测量精度和测量速度。因此，研究布里渊散射谱特征参数提取方法，抑制系统噪声及光纤弯曲特性对测量精度的影响，准确快速地获得光纤沿线信息，对提高布里渊分布式光纤传感系统性能具有重要意义。 ①针对布里渊散射谱形状不统一、谱峰捕捉困难导致测量精度下降的问题，提出了谱峰快速定位的频移精确提取方法，通过特征赋值和粒子群法获取谱参数初值，即确定参考点，再对目标函数进行优化，实现了单峰和多峰布里渊谱的自适应拟合；为解决非对称扫频跨度对布里渊散射谱特征提取精度的影响，解析了扫频方式对布里渊频移测量误差的影响规律，首次给出了智能预设扫频跨距的估算公式，提出的一种改进的互相关方法提高了布里渊频移的提取速度；为从根本上解决曲线拟合法的问题，提出了基于神经网络的特征参数直接提取方法，构建了布里渊散射谱与温度特征参数的直接映射关系，避免了布里渊频移的求解过程，实现了温度特征参数的快速准确提取。 ②为解决信噪比和空间分辨率相互制约的问题，提出了基于相移键控脉冲编码降低相干瑞利噪声的新方法，在不降低空间分辨率的条件下提高了系统信噪比，开拓了高空间分辨率高精度分布式光纤传感技术研究的新视角和新方法；为解决光纤的局部弯曲和变形造成的布里渊散射信号损失、测量精度降低等问题，以单模光纤与多模光纤结合的方法，设计了不同结构的抗弯曲光纤传感器，构建了频移外差检测的布里渊光时域反射系统，实现了抗弯曲光纤传感器的温度传感测量，提高了系统测量精度。 ③为了实现快速、高性能的传感测量，在解析受激布里渊散射相移与振动对应关系的基础上，提出了基于外差矢量受激布里渊散射特性的宽频带、高精度振动测量方法；为解决空间分辨率与测量精度之间的矛盾，采用脉冲预泵浦技术产生由窄谱和宽谱叠加而成的合成布里渊散射谱，同时结合平衡探测技术，使系统信噪比提升了3 dB；又利用双边带结构提高了灵敏度、Simplex编码提高了信噪比、自外差检测技术克服了光源频率漂移及探测光与本振光相位差的影响。最终，在保证应变测量范围的前提下，将测量灵敏度提高为现有技术的2倍，实现了高空间分辨率和高精度的振动测量。