基于布里渊光时域分析的温度测量方法研究.pdfVIP

摘要

大型高端装备例如航空发动机，以及石油管道、核设施等，都需要在极端

环境下进行长距离、多节点的温度测量，以保证装备的运行状态和提高生产效

率。针对以上背景，需要在复杂环境下，长传感距离5km，实现小于1m的高

空间分辨力，±1℃的温度测量精度。本文研究基于布里渊光时域分析(BOTDA)

的分布式光纤传感技术，主要的研究内容如下：

1.建立BOTDA系统测量模型。首先，研究光纤中的受激布里渊散射原理

和基于受激布里渊散射的BOTDA系统测温原理；接着，结合背景参数，建立

了系统温度、空间分辨力和传感距离等参数的测量模型，为后续的系统设计提

供理论指导；最后针对系统偏振衰落的问题，研究基于高速扰偏的偏振态控制

方法，降低偏振噪声。

2.设计基于差分脉冲对的BOTDA系统并进行优化。首先，基于研究内容

1的测量模型，分模块设计系统并分析器件参数对性能的影响，完成器件的选

型；其次，对脉冲泵浦光和频移探测光调制方法和非线性效应的阈值进行研究，

优化系统传感距离、信噪比和稳定性，并进行实验验证；最后针对系统原理上

空间分辨力受限的问题，研究差分脉冲对技术提高空间分辨力，分析其原理和

信号处理方法。

3.开展BOTDA系统信号处理方法研究。首先分析系统信号和噪声的特点，

针对叠加平均降噪实时性和信噪比低的问题，研究时域叠加平均和图像处理相

融合的降噪方法。接着，分析时域叠加平均降噪，离散小波变换、非局部均值

滤波、三维块匹配滤波图像降噪算法的原理、流程；最后，为了提高频率的测

量精度，对布里渊增益谱进行拟合，分析洛伦兹拟合的原理、流程。

4.实验验证BOTDA系统性能。首先搭建实验系统，验证基于高速扰偏的

偏振态控制方法能够显著降低偏振衰落引入的偏振噪声；接着，选取信噪比和

处理时间两个指标，将几种叠加平均和图像处理相融合的降噪算法，与只进行

叠加平均降噪的传统算法进行对比验证，本系统选用能够将信噪比提高8.32dB，

处理时间仅为6.3s的三维块匹配滤波算法。最后，对系统温度和布里渊频移进

行标定，并对温度进行不确定度分析，实验验证本系统能够实现在5km的光纤

上，温度不确定度为1.2℃，空间分辨力为0.8m。

关键词：温度传感；布里渊光时域分析；空间分辨力；差分脉冲；图像降噪

Abstract

Largehigh-endequipmentsuchasaircraftengines,aswellasoilpipelines,nuclear

facilities,etc.,requirelong-distance,multi-nodetemperaturemeasurementsinextreme

environmentstoensuretheoperatingconditionofequipmentandimproveproduction

efficiency.Inviewoftheabovebackground,itisnecessarytoachieveahighspatial

resolutionoflessthan1mandatemperaturemeasurementaccuracyof±1℃ina

complexenvironmentwithalongsensingdistanceof5km.Thispaperstudiesthe

distributedopticalfibersensingtechnologybasedonBrillouinOpticaltimedomain

analysis(BOTDA).Themainresearchcontentsareasfollows:

1.EstablishthemeasurementmodelofBOTDAsystem.Firstly,theprincipleof

stimulatedBrillouinscatteringinopticalfiberandthe