具有断点监测功能的BOTDA传感性能提升方法及其传感机理研究

The Brillouin Optical time Domain Analysis (BOTDA) based on stimulated Brillouin scattering (SBS) is one of the key distributed sensing technique. BOTDA with its high performance is widely used in the structure health monitoring (SHM). A fatal drawback in traditional BOTDA is the requisite of access to both fiber-ends. This implies that the BOTDA doesn't work when a break occurs along the fiber under test. Moreover, the Brillouin gain spectrum(BGS) reconstruction in sequence makes it only static and nonreal-time measurement. In this project, we propose a novel hybrid distributed optical fiber sensor combined the Rayleigh and Brillouin scattering. In this hybrid sensor system, the coherent detection,pulse coding and double sideband(DSB)probe techniques would be applied to bestow BOTDA with the capacity of break interrogation,long distance and high accuracy sensing. In this project, we would construct the theoretical model to describe the dynamics of BOTDA combined the coherent detection, pulse coding and the DSB probe technique; Furthermore, the sensing characteristics, mechanisms and key technologies would be explored systematically; It is expected that the proposed configuration can offer a novel multifuction long distance and high accuracy Brillouin distributed optical fiber sensing technology with long sensing distance and high accuracy, which would provide some key technological supports and academic accumulation for our country in the structure health monitoring.

布里渊光时域分析仪（BOTDA）是一种基于受激布里渊散射效应的分布式光纤传感技术。高性能的BOTDA在大型结构健康监测中有着广泛的应用。传统BOTDA双端接入方式意味着当光纤链路中出现断点时，BOTDA将不能工作；此外，传统BOTDA采用布里渊增益谱(BGS)逐点重构的方式使其仅限于温度/应变非实时静态测量。本项目旨在提出一种融合瑞利和布里渊散射的新型混合分布式光纤传感技术，该技术融合了相干探测、脉冲编码技术和双边带探测技术，使得BOTDA系统具有断点监测功能和长距离、高精度传感能力；另一方面，针对该技术，建立融合相干探测、脉冲编码和双边带探测的BOTDA的动力学模型，系统研究其传感特性、内在机理及关键技术。本项目的研究有望提供一种多功能的新型长距离、高精度布里渊分布式光纤传感技术，为我国自主构建高效结构健康监测新体系提供部分关键技术的支持和学术积累。

高性能的分布式光纤传感技术在大型结构健康监测中有着广泛的应用。项目实施以来,我们主要开展了以下的研究：理论和实验研究了一种基于相干探测和双边带探测的，能进行动态应变和温度同时传感的BOTDA传感技术，对工作频率点的选择做了理论模拟分析，实验上对双参量同时传感做了充分的研究，最终在10.6km的传感光纤上实现了一个温度事件和两个应变引起的振动事件(振动频率为7.00Hz 或 10.00Hz)的同时传感测量，同时系统获得了3m的空间分辨率，1.2°C温度精度和0.67Hz 频率测量分辨率；设计了一种同时采用了光差分参量放大、三频探测光和相干探测三种技术的布里渊光纤传感系统，保证布里渊光纤传感系统具有较长传感距离的同时，还能实现次米量级的空间分辨率和较高的测量精度；设计了一种单端结构动态测量的布里渊光纤传感系统，该方案采用测量布里渊相移的方式代替传统扫描布里渊增益谱的形式作为测量依据，并利用传感光纤末端的端面反射光作为探测光，实现单端动态参量的实时测量，解决了传统BOTDA出现断点不能测量的缺点；设计了一种同时采用了布里渊增益谱双斜率频点辅助法和相干探测两种技术的动态分布式布里渊光纤传感系统, 克服了传统布里渊增益斜率频点辅助法中泵浦脉冲光功率波动对测量精度影响的问题；提出了一种基于单光子探测器的布里渊分布式温度传感系统并进行了实验研究。系统以瑞利散射/反斯托克斯功率比作为温度的信号，系统获得了18dB的动态范围(对应90km的传感距离)，在42.5 km 传感光纤末端获得了1.2 m 的空间分辨率和1.7 °C的温度测量精度；对采用正交偏振态脉冲对的相位OTDR系统进行了理论和实验研究，该方法能有效压制传统方案中的偏振相关噪声，同时还对带有超弱光栅列阵的相位OTDR系统的空间分辨率方面的实验研究，在光栅间隔为50m，传感光纤5km的实验中实现了4m的空间分辨率；提出了一种基于光纤布拉格光栅传感器和三点弯曲测试法测量金属梁杨氏模量的新方法，并实验测量了铁梁和铜梁的杨氏模量；理论模拟和研究了微纳米颗粒尺寸对其毛细力和范德华力的影响，为下一步进行光纤微纳传感做基础研究。. 项目研究期间，发表了6篇学术论文，其中SCI论文5篇，1篇中文核心，申请了5项专利，1项发明专利和2项实用新型专利已经获得授权，2项发明专利处于实审中，参加了4次学术会议，协助培养了3名硕士研究。