红外与激光工程
2022, 51(10): 20220549
西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室，陕西 西安 710065
通过有限元分析软件对硬质聚氯乙烯材料支吊架结构管道建立模型，采用中央竖直向下施加静态持续载荷方式进行力学仿真。将传感光纤沿轴向直线排布在模拟管道顶部、底部和侧部，通过粘贴传感器将管道外表面应变传递至传感光纤，并采用布里渊光时域分析仪对不同载荷下管道的应变变化进行监测。结果表明：管道轴向方向到管道底部为拉伸正应变，顶部为压缩负应变，侧部中线的应变基本不变；管道中段的应变最大，向管道两端的应变逐渐减小，距离管道端部0.6 m处的应变趋于0。此外，油气管道中段底部的应变灵敏度为顶部的3.3倍，为支撑端的5.5倍。
光纤光学 管道应变分布 模拟仿真 光纤布里渊散射 布里渊光时域分析仪 应变灵敏度 激光与光电子学进展
2022, 59(21): 2106003
1 华北电力大学 1. 电子与通信工程系
2 2. 河北省电力物联网技术重点实验室
3 3. 保定市光纤传感与光通信技术重点实验室, 河北 保定 071003
为了提高布里渊光时域分析系统(BOTDA)在长距离监测应用中的实时性, 提出了一种基于压缩感知的布里渊光时域系统实时性增强方法。该方法包含稀疏表示、随机采样和信号重构三个部分。首先采用K-均值奇异值分解算法获得布里渊增益谱的稀疏表示, 然后通过高斯随机采样和正交匹配追踪算法进行布里渊增益谱重构。为了验证所提方法的性能, 仿真生成了不同信噪比水平的布里渊增益谱, 搭建了45km的布里渊光时域系统进行温度传感实验。仿真和实验结果表明: 在累加平均次数为100时, 所提算法将信噪比提升了6.37dB, 优于累加平均次数3000时的10.13dB, 对应测量时间减少了1/30; 采用8MHz步长数据重构布里渊增益谱, 该方法的重构结果与4MHz步长数据的相关系数为0.9992, 对应扫频时间减少了一半。所提算法在保证测量精度的同时提升了测量实时性。
光纤传感 布里渊光时域分析系统 布里渊增益谱 压缩感知 K-均值奇异值分解 optical fiber sensors Brillouin optical-time domain analyzer Brillouin gain spectrum compressed sensing K-means singular value decomposition
1 华北电力大学 1. 电子与通信工程系
2 2. 河北省电力物联网技术重点实验室
3 3. 保定市光纤传感与光通信技术重点实验室, 河北 保定 071003
设计了一种基于分布式传感技术的薄壁圆筒型液体温度和压力传感器。选取具有耐腐蚀、弹性性能好以及热膨胀系数大的不锈钢316L和铍青铜C17200分别对传感器进行封装。利用有限元仿真软件ANSYS Workbench对封装的传感器压力和温度特性进行仿真分析,得到器件的径向应变量,分析其布里渊频移随压力和温度的变化关系。仿真实验表明,使用铍青铜C17200封装的传感器压力灵敏度和温度灵敏度更高,在0~12MPa、-5~40℃范围内压力灵敏度达11.1MHz/MPa,温度灵敏度达2.56MHz/℃,相较于普通单模光纤分别提升7.4倍和1.7倍。
布里渊传感器 布里渊光时域分析 温度和压力测量 Brillouin sensor BOTDA technology temperature and pressure measurement
1 国网青海省电力公司 信息通信公司，西宁 810008
2 中国电力科学研究院有限公司，北京 100192
3 国网新疆电力有限公司 信息通信公司，乌鲁木齐 830002
为研究长期运行光纤复合架空地线(OPGW)的应变性能，使用高精度的分布式光纤传感监测设备布里渊光时域分析仪(BOTDA)对新缆和不同覆冰环境下的旧缆进行应变监测，对比分析了OPGW光缆内光纤的布里渊频率在长期外界环境作用下的变化。试验结果表明，运行时间和覆冰等级是影响OPGW光缆内光纤应变性能的主要因素。
光纤复合架空地线 布里渊光时域分析仪 应变 布里渊频率 覆冰 optical fiber composite overhead ground wire Brillouin optical time domain analysis strain Brillouin frequency icing
1 太原理工大学新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室, 山西 太原 030024
2 太原理工大学物理与光电工程学院, 山西 太原 030024
为了提高布里渊光时域分析(BOTDA)传感系统的测量信噪比(SNR),提出了一种基于局部均值分解的降噪算法。首先,自适应地将BOTDA传感系统采集的信号分解为具有真实物理意义的乘积函数(PF)分量。然后,通过计算信号能量在空间各尺度上的分布情况,重构含有信号能量的PF分量,得到降噪后的信号。为了进一步提高算法的降噪性能,引入切比雪夫数字带通滤波器,将分解的PF分量在频域内进行滤波并重构。实验结果表明,相比原始信号,用本算法降噪后的信号SNR至少提升了10 dB,为传感系统提供了一种简单有效的降噪方案。
光学学报
2021, 41(13): 1306009
1 西南交通大学物理科学与技术学院，四川 成都 610031
2 国防科技大学气象海洋学院，湖南 长沙 410073
3 西南交通大学信息科学与技术学院，四川 成都 610031
布里渊光时域分析（BOTDA）在分布式光纤传感系统中展现出独特的优势并得到了广泛的关注，对BOTDA传感系统的温度分布信息进行快速且精确的提取至关重要。随着机器学习算法的快速发展，其在BOTDA传感系统的温度分布信息的提取中展现出巨大潜力。首先，阐述了BOTDA传感系统温度测量的原理。接着，介绍了几种基于机器学习的算法并分析了其在BOTDA传感系统温度提取中的应用和优势。最后，对未来的研究进行了展望。
激光与光电子学进展
2021, 58(13): 1306022
1 太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室，山西 太原 030024
2 太原理工大学物理与光电工程学院，山西 太原 030024
基于布里渊光时域分析（BOTDA）的分布式光纤传感系统可以实现温度、应变等参量的测量，同时具有超长传感距离、高空间分辨率和高精度等优势，已广泛应用于基础设施、航天工程等领域中的结构健康监测。然而，BOTDA传感系统存在温度和应变交叉敏感问题，导致温度和应变的变化在测量过程中难以区分，严重制约了系统传感监测能力。针对该问题，分别介绍了基于参考光纤、光栅辅助、多参数辅助、特种光纤、双波长传感、拉曼/瑞利散射辅助以及神经网络共7种方法，并对其进行分析比较，旨在为光纤传感领域中解决交叉敏感的研究与应用提供参考。
激光与光电子学进展
2021, 58(13): 1306021
布里渊光时域分析(BOTDA)系统中, 不同的脉冲宽度对应不同的空间分辨率, 但不同脉冲宽度下的布里渊信号会重叠在同一位置。首次对该现象进行了理论分析, 并基于该现象提出了一种新的布里渊光时域定位技术。通过正反两次测量对应变或温度段的端点进行定位, 无需降低脉冲宽度就能提高空间分辨率, 克服了泵浦脉冲宽度对空间分辨率的限制。实验在24711 m的光纤上分布使用20~100 ns的脉冲均实现了1 m应变段的定位, 并通过双峰洛伦茨拟合测得其应变为1880 με, 其应变测量不确定度为36 με。该技术相比于其它BOTDA定位技术, 无需通过降低脉冲宽度来提高空间分辨率, 操作简单有效, 将在分布式传感领域具有广泛的应用前景。
布里渊光时域分析(BOTDA) 脉冲划分 应变测量 长脉冲 Brillouin optical time-domain analyzer (BOTDA) pulse subdivision strain measurement long pulse
