采用GPT方法的BOTDA振动传感技术开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1研究目的

在掌握布里渊光时域分析（brillouinopticaltime-domainanalysis,botda）传感技术和增益包络追踪（gain-profiletracing,gpt）技术基本原理的基础上，推导光纤内探测光和泵浦光产生布里渊相互作用的数学模型，利用matlab软件仿真实现光纤内布里渊效应与布里渊时域分析技术，通过调整和优化参数选择，得出实现提高空间分辨率的最优参数。最后，搭建采用gpt技术的botda传感系统实验平台，实验验证该系统用于监测周期性振动信号的可行性。

2.2研究意义

botda系统是一种可用作实时监测的分布式光纤传感器。1990年，t.horigchi等人提出一项新的光纤传感技术——botda传感技术。botda技术以光纤中受激布里渊散射为传感机理[1]，实现了1.2km温度传感[2]。此后，为了提高该技术的空间分辨率、传感距离进行了大量的系统改良和技术创新。在空间分辨率方面：2005年，k.kishida等人提出了基于预泵浦的botda系统，实现10cm的空间分辨率[3]。在2012年m.a.soto等人采用simplex编码和光预放大技术，实现了传输距离60km，空间分辨率达到25cm的dpp-botda传感系统[4]。在长距离传感方面：2008年，x.bao等提出使用一对不同脉冲宽度的botda系统，在12km的光纤上实现1m的空间分辨率[5]。2010年，liang.h等人采用rz编码的泵浦光，将光纤换为大有效面积的非零色散位移光纤，实现了botda系统的传输距离为50km，空间分辨率达到0.5m[6]。瑞士m.a.soto等人也提出了利用脉冲编码来提高传输距离和空间分辨率，能够使botda系统在240km上实现5m的空间分辨率[7]。另有一些学者将拉曼放大应用于botda系统中来提高传输的距离，电子科技大学的饶云江课题组通过双向拉曼放大，使botda系统在50km的传输距离上实现温度分辨率达到0.6℃[8]。西班牙的soniamartin-lopez等实验研究了借助一阶或二阶拉曼放大的botda，分别实现75km和100km传感[9,10]。

2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容、目标

通过对光纤中布里渊散射的机理、botda传感原理、gpt技术的研究，建立采用gpt技术的botda检测周期性振动信号的数学模型，通过仿真分析振动信号以及系统参数对检测信号的影响，分析系统空间分辨率和振动信号的检测极限。设计一个能实现光纤沿线上振动信号的位置、频率、幅值等参数检测的botda系统并实验验证，讨论采用gpt方法的botda传感系统检测周期振动信号的性能

2.2拟采用的技术方案及措施

（1）通过对布里渊耦合波方程的处理，我们可引入一个微分方程（附件里的公式1），该方程可描述在光纤内的布里渊相互作用。这里的ps和ip分别表示斯托克斯光功率和泵浦光强，g为布里渊增益系数。通过测量探测光功率，我们可以获得光纤沿线的布里渊增益系数。布里渊增益系数可以表示为公式2（参考附件公式2）布里渊增益系数与位置和频移存在一种映射关系。光纤应变可以影响光纤内布里渊散射光，在频率上看，光纤各个位置上的布里渊频移与该位置处的轴向应变量成线性关系。应变量反映振动的幅度和频率，因此获取布里渊增益系数，便能够分析出振动的情况。

（2）应用上述的理论和数学模型，在matlab上面仿真出，分别在不同光纤长度、不同探测光功率和不同泵浦光强的条件下，光纤各位置点的布里渊增益系数、布里渊频移三维图。通过比较三维图的效果，选取最佳光纤长度、最佳探测光功率、最佳泵浦光强。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，熟悉botda传感技术和gpt技术的发展现状和应用背景，熟悉采用gpt技术的botda信号探测的基本原理，明确研究目标，确定方案，完成开题报告。

第4－5周：完成英文文献翻译，进一步完善研究目标，建立比较完整的采用gpt技术的botda检测振动信号的数学模型。

第6－9周：在python上仿真采用gpt技术的botda信号，分析泵浦光强、探测光强、探测频率等对振动信号的影响。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]agrawalgp.非线性光纤光学原理及应用[m]．北京：电子工业出版社，2002．222-240．

[2]kurashimat,horiguchit,tatedam.distributed-temperaturesensingusingstimulatedbrillouinscatteringinopticalsilicafibers[j].opticsletters.1990,15(18):1038-1040.

[3]kishidak,lich.pulsepre-pumpmethodforcm-orderspatialresolutionofbotda[c].2005.

[4]sotoma,takim,bologninig,dipasqualef.optimizationofadpp-botdasensorwith25cmspatialresolutionover60kmstandardsingle-modefiberusingsimplexcodesandopticalpre-amplification[j].opticsletters.2012,20(7):6860-9.