1 南京信息工程大学物理与光电工程学院，江苏 南京 210044
2 江苏省大气海洋光电探测重点实验室，江苏 南京 210044
3 中铁（上海）投资集团有限公司，上海 200126
4 南京地铁建设有限责任公司，江苏 南京 210019
5 中铁隧道集团二处有限公司，河北 廊坊 065200
6 中铁三局集团华东建设有限公司，江苏 南京 211153
7 剑桥大学工程系，英国剑桥 CB2 1PZ
提出一种基于布里渊光时域反射（BOTDR）系统的寻极大值法，在快速傅里叶变换（FFT）和短时傅里叶变换（STFT）的基础上，实现了频移的快速定位及系统空间分辨率的增强。对时域信号进行FFT处理，利用寻极大值法判断是否存在温变或应变信息，再通过逐级选取对应长度的时域信号来确定温变或应变频移发生的位置范围；对时域信号进行STFT处理，构建三维布里渊增益谱，通过寻极大值法构建布里渊频移分布来检测短距离温变或应变，从而提高系统空间分辨率。在实验中，利用基于等分FFT的寻极大值法，对2 km待测光纤中130 m段加热光纤的位置范围进行快速定位，系统运算时间缩短到原来的1/8。同时在设置探测光脉冲宽度为100 ns的条件下，利用基于STFT的寻极大值法，在2 km待测光纤上检测到0.6 m光纤长度的温度变化，实现了亚米级别的空间分辨率。与传统BOTDR系统相比，基于寻极大值法的STFT-BOTDR系统提高了实际应用中的检测速度与空间分辨率，工程实用性得以提高。
光纤光学 布里渊光时域反射 短时傅里叶变换 寻极大值法 定位 空间分辨率 光学学报
2023, 43(14): 1406004
光子学报
2021, 50(11): 1106001
随着海上风力发电技术的发展,风力发电机的功率不断增大,对其桩基的承载力要求也不断提高,因此需要测试桩基的荷载性能来验证工程设计的安全可靠性。首先搭建了1 m空间分辨率的布里渊光时域反射(BOTDR)系统,在杭州湾嘉兴市海域的风电项目中,利用该系统对海上风力发电机桩基进行了水平推力加载试验。通过测量和分析不同水平荷载下桩基的应变分布和最大应变位置,得到了其形变情况和位移分布。结果表明,该桩基的水平承载力达到了预期设计的最大荷载700 kN,验证了BOTDR分布式光纤传感技术在海上风力发电机桩基检测中的有效性。
光学学报
2021, 41(13): 1306016
1 哈尔滨工业大学航天学院可调谐激光技术国家级重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150001
2 睿科光电技术有限公司, 辽宁 鞍山 114000
3 国家电网有限公司信息通信分公司, 北京 100761
光纤复合架空地线(OPGW)故障频发的原因与光缆局部受到的应力有直接关系,为了实现对OPGW光缆的在线应变监测,搭建了长距离布里渊光时域分析(BOTDA)和布里渊光时域反射(BOTDR)系统,并对重覆冰区域运行年限超过15年的在运95.14 km OPGW进行了应变检测和分析。通过对同一段光缆的对比测量,结果表明:BOTDA系统具有更长的测量距离、更高的空间分辨率与更高的测量精度,能准确辨别引下线并识别零应变参考点,可以实现温度和应变信息的准确分离。在两个站点的距离超过BOTDA系统的测量量程时,可以使用BOTDR系统从光缆两端分别测量以覆盖全部光缆。同时,BOTDR系统展现出单端测量的优势,在断纤故障发生时,BOTDR系统可不影响断点之前的线路测量。在同一条OPGW光缆线路上通过多维度的对比,分析了两种技术在OPGW光缆监测中的优劣势,为分布式光纤传感技术在电力系统中的应用提供参考。
光纤光学 布里渊光时域分析 布里渊光时域反射 光纤复合架空地线 光学学报
2020, 40(15): 1506001
暨南大学光子技术研究院, 广东 广州 510632
基于宽带接收的快速布里渊光时域反射技术,通过结合分布式拉曼放大来实现长距离分布式布里渊传感。研究了拉曼放大前后系统的性能差别以及非线性现象,并探究拉曼抽运功率与脉冲功率的最佳组合方式。最终通过实验实现了空间分辨率为50 m、传感距离为100 km左右的快速温度传感,其中,在50 km处获得1.2 ℃的温度测量精度。系统传感距离较无拉曼放大时提高了约50 km,并且能够在10 s左右快速完成一次测量。
光纤光学 布里渊光时域反射 布里渊散射 拉曼放大 激光与光电子学进展
2019, 56(17): 170617
1 中电科仪器仪表有限公司,山东 青岛 266555
2 中国电子科技集团公司第四十一研究所,山东 青岛 266555
在布里渊光时域反射计(Brillouin Optical Time Domain Reflectometer,BOTDR)光纤传感系统中,自发布里渊后向散射信号非常微弱,尤其是光纤远端的布里渊散射信号,信噪比非常差,分析难度非常高。提出了一种基于互相关理论的布里渊谱信号质量提升方法,通过与理想布里渊散射谱进行互相关运算,降低了对光纤远端极微弱布里渊散射信号应变分析的难度。经试验验证,该方法可以有效提升信噪比较差时应变分布数据的信号质量以及BOTDR的应变传感精度。
分布式光纤传感 应变系数标定 光纤拉伸装置 布里渊光时域反射计 distributed optical fiber sensing strain coefficient calibration fiber stretching device brillouin optical time domain reflectometer
在光纤布里渊光时域反射仪(BOTDR)系统中，对光纤中各处的布里渊散射谱中心频率的估计是测量的关键，也是最为费时的环节，导致BOTDR 系统难以做到快速响应。本文研究了ESPRIT 算法用来估计BOTDR 系统中的布里渊散射谱中心频率，并与基于快速傅里叶变换(FFT)的频率估计算法进行了比较分析。结果表明，ESPRIT 算法具有与补零FFT 算法配合上洛伦兹频谱拟合所得结果相近的性能。由于ESPRIT 算法对数据长度的要求较低，能够在短数据长度上获得较好的频率估计性能，因此能够在保证较高空间分辨率和测量性能的情况下，提高测量速度。
分布式光纤传感 布里渊光时域反射仪 ESPRIT 算法 频谱估计 distributed optical fiber sensing Brillouin optical time domain reflectometer ESPRIT algorithm spectral estimation
1 新型传感器与智能控制教育部暨山西省重点实验室, 山西 太原 030024
2 太原理工大学物理与光电工程学院,光电工程研究所, 山西 太原 030024
为提高测温精度和空间分辨率,搭建了基于电光调制器调制探测光脉冲的布里渊光时域反射分布式温度传感系统。分析并验证了电光调制器输出探测光脉冲信号的特性、电信号解调系统中窄带滤波器中心频率以及检波器响应速率对反射测温精度和空间分辨率的影响。结果显示,中心频率为700 MHz的窄带滤波器进行布里渊增益谱扫描时,布里渊光时域反射测温系统可获得高的测温精度；采用响应速率较快的检波器获得的系统空间分辨率较高。在此基础上,采用电光调制器调制脉宽约10 ns的探测光脉冲进行测温实验,在约3 km的传感距离上获得了±1.24 ℃的测温精度和1.217 m的空间分辨率,实现了较高空间分辨率和温度精度的分布式光纤传感测量。该实验可为BOTDR温度传感解调系统中器件参数的选择提供参考。
布里渊光时域反射仪 电光调制器 解调系统 测温精度 空间分辨率 Brillouin optical time domain reflectometry electro-optical modulator demodulation system temperature measurement accuracy spatial resolution
华北电力大学 电子与通信工程系, 河北 保定 071003
根据相干检测理论提出了一种基于多模法布里-珀罗激光器的光纤瑞利与布里渊散射自外差检测的布里渊光时域反射计传感系统, 分析了该系统提高光纤受激布里渊散射阈值和瑞利与布里渊散射自外差检测的原理, 推导出系统信噪比表达式, 分析了纵模数与布里渊谱峰值功率、谱宽和系统信噪比、温度及应变测量准确度之间的关系, 并进行了计算.结果表明, 选用纵模间隔为0.141 nm的多模法布里-珀罗激光器时, 随着纵模数的增加, 在25 km光纤末端系统信噪比、温度和应变测量准确度均得到了较大提升, 当纵模数为19时, 温度和应变测量准确度分别达到最佳值3.81 ℃和86.69με.
光纤光学 光纤传感 自外差检测 多模FP激光器 布里渊光时域反射计系统 信噪比 Fiber optics Optical fiber sensing Self-heterodyne detection Multi-longitudinal mode FP laser Brillouin optical time domain reflectometer Signal to noise ratio
