基于光脉冲编码的布里渊散射自相干分布式光纤振动传感基础研究

Optical fiber vibration sensor has an important application in the fields of security, structure health monitoring, environment monitoring and so on.Currently, the distributed Brillouin scattering sensing system has a complex structure,and it is very difficult to measure multi-points of vibration simultaneously. In this project, we propose a novel method based on coded optical pump pulses in combination with spontaneously self-coherent Brillouin scattering beat signal detecting technology, which can simultaneously measure multi-points of vibration by measuring the distributed optical fiber dynamic birefringence. In this project, firstly we will analyze the impact of mechanical vibration on the fiber structure parameters, and establish the theoretical model between external mechanical vibration and optical fiber dynamic birefringence. Secondly, we will research both the physical relationship among Brillouin scattering characteristics, coded optical pump pulses and fiber birefringence, and the dynamic transmission process of each Brillouin scattering component in optical fiber, and then establish the theoretical model among fiber birefringence, coded optical pump pulses and Brillouin scattering beat effect. Afterwards, we will investigate the Brillouin scattering beat signal detection method, demodulation theory and experiment. Finally, the distributed vibration sensing and multi-points simultaneous measuring will be realized. The proposed Brillouin sensing method is novel, which has advantages of simple structure and multi-points of vibration simultaneous measuring and has not been reported by other researchers. The results of this project are very useful for the development of Brillouin sensing technology and vibration sensing technology.

光纤振动传感器在安防、结构与环境监测等领域有着重要的应用。针对目前布里渊传感系统结构复杂与多振动点难以同时测量等问题，本项目提出了一种基于泵浦光脉冲编码与自发布里渊散射自相干拍频信号检测相结合的新方法，进行分布式光纤动态双折射测量，从而实现多振动点的同时测量。为此，首先将研究外界机械振动对光纤结构参数影响的动力学过程，建立机械扰动与光纤动态双折射的理论模型；然后研究光纤中自发布里渊散射特性与光纤双折射及编码光脉冲之间的物理关系，以及自发布里渊散射信号各分量在光纤中的动态传输过程，建立光纤双折射及编码光脉冲与布里渊散射拍频效应理论模型；最终通过对布里渊散射拍频信号检测方法、解调理论与实验的研究，实现分布式的振动传感与多点同时测量。 本项目提出的布里渊传感方法系统结构简单并能实现多振动点同时测量，具有一定创新性，目前尚未见到其他研究者的相关报道，其研究结果将促进光纤布里渊及振动传感技术的发展。

光纤振动传感器在安防、结构和环境监测等领域有着广阔的应用前景。针对目前布里渊传感系统结构复杂，成本高昂等问题，本项目提出采用基于布里渊自相干拍频信号检测的新方法，进行光纤动态双折射的测量，从而实现振动信号的测量。项目研究并实现了以下主要内容：.1.根据光纤中的光弹效应理论，分析了因光纤弯曲与轴向拉伸力产生的双折射的过程。建立了光纤的振动装置模型，确立了振动信号幅度、振动造成光纤中轴向拉伸张力与对应位置光纤中的双折射的关系。.2.基于光纤中的双折射和布里渊自相干效应等理论，通过直接探测布里渊自相干散射信号实现对光纤中拍长和双折射分布的测量。并采用Matlab对单脉冲泵浦下的系统响应与双折射测量进行了仿真。.3.研究分析了 Simplex 码对布里渊自相干散射信号的影响，对Simplex编码提升BOTDR系统的性能进行了分析，仿真得到了不同阶数的Simplex编码调制相对单脉冲系统动态范围的提升，通过仿真不同的 S 矩阵编码解调下的系统响应，得到了不同阶数S矩阵编码解调下的系统信噪比。.4.搭建了基于布里渊自相干检测的 BOTDR 实验系统，测得 7 阶 Simplex 编码调制相对单脉冲调制系统动态范围提升了 1.34dB，采用了7阶S矩阵编码调制解调和滑动平均处理，对光纤中的静态双折射进行测量，实现了两段弯曲半径不同光纤的平均静态双折射。然后对光纤中由振动造成的动态双折射进行了测量，实现了对振动点的定位，并得到了外部振动信号对测试段光纤造成了1.54×10^-7的附加双折射，验证了系统对振动检测的可行性。.通过以上几方面的研究，最终实现了基于布里渊自相干检测振动的 BOTDR系统，该系统结构简单、成本较低，能有效实现振动点定位，在分布式光纤振动传感技术的研究与发展中具有重要意义。