高性能分布式光纤传感系统机理研究

Distributed optical sensor system has been used widely for civil, transportation, aviation and military applications. Techniques that can improve the performance of the sensor systems in term of spatial resolution, dynamic range and sensing range are very important for further expanding the application areas of the sensing technique. In this project, we investigate a number of techniques that may potentially significantly improve the performance of the sensing systems. In particular, we aim to study following topics: (1) explore the use of forward Brillouin scattering rather than traditional backward Brillouin scattering to improve the sensing system performance; (2) investigate the use of new detection and digital signal processing techniques to improve the detection of the sensing signal through the use of both amplitude and phase information; (3)study the use of alternative modulation and signal coding techniques to improve spatial resolution, detection time and sensing rage of the sensing system. It is anticipated that the study will provide new approaches for people carrying out work in the area of distributed sensing research.

分布式光纤传感系统近年来已经在土木、运输、飞行器制造和军事工业中得到了广泛的应用。为了拓宽其应用范围，开展提高其系统性能，包括空间分辨率、传感距离、动态范围等方面的研究工作具有重大的意义。在本项目中，我们提出了多种非常有潜力大幅改进分布式光纤传感系统性能的技术。我们的主要研究工作如下：(1) 探索使用前向布里渊散射代替传统的后向散射的新技术系统以提高传感器性能; (2)使用新型信号检测技术同时检测相位和幅度信息，并采用数字信号处理算法改善系统的空间分辨率、传感距离等性能;（3）通过利用不同的调制和编码技术改善系统的空间分辨率、传感距离和测量时间等性能。本项目的工作将为从事分布式光纤传感领域研究的研究人员提供大量的新思路和新方法。

分布式光纤传感系统近年来已经在土木、运输、航空航天系统中得到了广泛的应用。为了拓宽其应用范围,开展提高其系统性能,包括空间分辨率、传感距离、动态范围等方面的研究工作具有重大的意义。本课题围绕改进基于布里渊散射的分布式光纤传感系统性能的技术,进行了多方面的研究。我们提出了将支持向量机（SVM）用于布里渊光时域分析仪中实现超快的温度提取。用支持向量机提取温度的速度也比传统的曲线拟合方法快100倍以上。 支持向量机为未来实现高速布里渊时域分析仪提供了一个非常有竞争力的数据处理方法。为提升测量速度，我们研究并提出了基于数字光頻梳的布里渊光时域分析仪方案。利用光頻梳以替代传统实现方案中在光纤中传输的单频信号光以实现对整个布里渊增益谱和相位谱的同时测量，节省了扫频的步骤，以此大幅提升检测速度。我们首次将人工神经网络（ANN）用于布里渊光时域分析仪（BOTDA）进行快速的数据处理进而提取温度分布信息。传统曲线拟合方法中的拟合过程需要大量处理时间，而ANN 在完成训练后对数据进行处理所需时间非常短，因此使用ANN和DNN方法可以大大减少信号处理的时间。使用ANN和DNN带来的信号处理时间缩短以及采用较大扫频间隔的测量时间减短为布里渊光时域分析仪实现对环境的实时监测提供了重要基础。我们提出并从实验上验证了一种采用相位和偏振分集相干接收的布里渊光时域分析仪，并且用嵌入式的数字信号处理算法来优化提取传感信号。 我们提出的这个结构不仅可以实现散粒噪声受限灵敏度，而且也使得本振源与探测光之间的偏振衰退问题得以解决。通过利用稳定的电滤波器来滤除探测光的高频边带以及瑞利散射噪声，实现的相干布里渊光时域分析仪拥有更加稳定的性能。 通过这些研究，我们对分布式光纤传感系统的发展作出了很好的贡献。