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挑战杯创业大赛鉴定材料之1研究总结报告BOTDR
鉴定材料之1
布里渊连续分布式
光纤传感温度/应变监测仪
研究总结报告
南京大学光通信工程研究中心
2010年4月15日
一、研究目的和意义
随着大型基础工程设施如桥梁、隧道、大坝、体育馆以及公路桥梁、电力通信网络、油气管道等的不断建设和普及使用,对它们特别是大型国防基础工程设施进行安全健康监测以及时发现故障,确保国家和人民生命财产安全显得越来越重要。
应变和温度变化是物体特性发生改变的最主要和直接的表现,因此,应变和温度的监测成为结构故障诊断和事故预警最主要和最重要的手段。
但是对这些大型基础工程设施的安全监测具有监测距离长(数十公里以上)、精度高(米量级以下)、部位隐蔽(不便于或难以测量)、实时性(瞬态变化)、分布式(连续性)等要求,使得传统监测手段难以胜任。
分布式光纤传感因不需制作传感器(只需采用裸光纤)并可同时测量获得沿光纤路径上时间和空间的连续分布信息,完全克服了点式传感器(如光纤光栅传感器)难以对被测场进行全方位连续监测的缺陷,且具有损耗低、抗腐蚀、易埋入、抗电磁场干扰、信号数据可多路传输等传统传感器所不具备的优越性能,而成为目前最为理想的大型设施无损监测技术,显示出十分诱人的应用前。
连续分布式光纤传感技术利用光纤中的散射效应来实现被测信息的传感,目前有三种技术:
1)基于瑞利散射的分布式光纤传感技术。
由于瑞利散射对温度和应变不敏感,除用于光纤链路损耗测量和故障定位外,其作为分布式光纤传感的研究已经越来越少。
2)基于拉曼散射的分布式光纤传感技术。
它是目前最为成熟的分布式光纤传感技术,但拉曼散射只对温度敏感,同时受拉曼散射信号强度的制约,其测量范围一般小于30km。
3)基于布里渊散射的分布式光纤传感技术。
该技术利用应力和温度可以改变布里渊散射光相对于入射光的频移这个特性,可实现应变和温度的传感检测。
虽然它的研究起步较晚,但由于其具有可测量多个物理参量(如温度、应变、线路损耗等)、空间分辨率高、传感距离长、测量精度高等优点,近年来倍受关注。
从法国戴高乐机场到国内桥梁接二连三的坍塌,从中美海底光缆的阻断到国内不断发生的矿难,从雪灾到地震带来的灾害,已经足以说明工程基础设施结构健康监测、灾害预警与评估的重要性。
因此,长距离连续全分布式应变和温度传感的研究具有重要的政治和经济意义。
同时,由于全分布式应变/温度传感检测仪具有广阔的应用领域和前景,将获得极大的社会和经济效益。
二、任务来源
自2002年承担总装“十五”军事通信技术预研项目(020*********)“XXXXX光缆网健康与安全监测”以来,我们开始进行基于布里渊散射的长距离快速温度/应变测量仪及其应用的研究,先后承担了包括国家自然基金、国防预研基金、国家重点基础研究发展计划资助项目(973)等来自国家、总装、省部委、企业等相关科研项目12项。
具体包括:
1)2010.01-2015.12,国家重点基础研究发展计划资助项目(973)(2010CB327803)“基于布里渊效应的光纤传感网基础研究”。
2)2010.1-2011.12,江苏省“333高层次人才培养工程”资助项目“大型基础设施全分布式应力/温度监测系统”。
3)2010.1-2010.12,上海铁路局科研开发、示范性推广项目“基于全分布式光纤传感的铁路线路防护栅栏安全报警系统”。
4)2007.1-2008.12,国家自然科学基金项目(60644001)“长距离海底光缆全分布式健康监测关键技术的研究”。
5)2006.1-2010.12,总装“十一五”通信装备预研项目(061041001030106)“XX光缆XXXXX监测技术”。
6)2003.7-2005.12,总装“十五”军事通信技术预研项目(020*********)“XXXXX光缆网健康与安全监测”。
7)2007.10-2010.10,江苏省“六大人才高峰”资助项目“基于布里渊效应的超长高精度分布式光纤传感技术”。
8)2006-2007,中国博士后科学基金项目(20060400911)“布里渊光电振荡器的研究”。
9)2007-2008,江苏博士后科学基金项目(0701011B)“基于受激布里渊散射的锁模光纤激光器的研究”。
10)2008.01-2009.10,无锡国家高新区创业引导资金“布里渊分布式光纤传感器用光放大模块的研制”。
11)2004-2005,南京大学重大预研基金项目“海底光缆网监测管理系统”。
12)2010.1-2010.12,上海铁路局“铁路通信缆安全健康(故障)监测技术”。
三、研究目标
应变和温度变化是物体特性发生改变的最主要、最直接和最突出的表现,本项目针对铁路隧道、公路桥梁、通信网络、油气管道等大型基础设施长距离、高分辨、全分布监测的需求,结合具体应用需求,通过研究基于调制脉冲序列的光源模块、微弱自发布里渊散射信号的放大、高空间分辨率的数据处理算法、高速信号处理算法、算法的并行和软硬结合以及高速DSP处理平台等关键技术,开发基于布里渊效应的调制脉冲序列全分布式应变温度监测系统,在提高空间分辨率的同时实现应变和温度的长距离监测,解决全分布式应力/温度监测难题。
四、研究内容
研究内容主要包括:
1.布里渊光学时域发射和相干检测技术
2.序列脉冲探测技术
3.布里渊散射谱宽带探测技术
4.等效脉冲光拟合方法
5.布里渊光时域反射仪空间分辨率提高方法
6.应变和温度交叉敏感问题解决方法
7.布里渊背向散射光谱数据拟合方法
8.布里渊光时域反射仪关键器件的设计与实现
9.布里渊光时域反射仪应用研究
五、系统功能与技术指标
测量仪提供了用户界面友好的参数设置、数据显示与分析功能。
系统软件提供了三维数据显示界面,可直观的对测量数据进行观察、比较,软件提供多种数据分析功能:
应变量分布、功率损耗分布、布里渊半高宽波形拟合等功能,测量仪测量范围可大于50公里,温度分辨率3℃、应变分辨率20με、空间分辨率0.1米,测量时间仅为常规窄带探测系统的十分之一。
测量仪原理样机见图1所示。
本项目基于布里渊光时域反射光纤传感技术,采用序列脉冲探测方法、布里渊散射谱宽带探测方法、等效脉冲光拟合法等新技术,测量时间仅为常规窄带探测系统的十分之一,空间分辨率提高了一个数量级,可达0.1米。
经教育部科技查新工作站对国内19个数据库,国外23个数据库查新,结论为:
本次国内外查新范围内未见有与本项目研究内容相同的文献报道。
图1原理样机
六、取得的主要成果
本项目在研期间共申请/获得相关专利15项、发表相关论文35篇,并做国际会议邀请报告6篇。
1、申请/获得的相关专利
1)张旭苹、董玉明、黄金源,光缆线路故障点精确定位方法,中国发明专利ZL200410013858.8(在光缆线路故障点检测中的应用)
2)张旭苹、刘跃辉、董玉明、路元刚,测量光纤应力的实验装置,公告号CN1731136
3)王峰、张旭苹、路元刚,用于提高光纤传感器空间分辨率的等效脉冲光谱分析方法,中国发明专利ZL200710133312.X
4)路元刚、张旭苹、窦蓉蓉、王峰,基于快速傅立叶变换的布里渊光时域反射测量方法,中国发明专利ZL200710133453.1
5)许国良、张旭苹、王光辉,黄金源,利用调制光束进行位置探测的装置及探测方法,中国发明专利ZL200510039039.5
6)王顺、张旭苹、张益昕、汪亮、郭亚敏,采样速率可调的高速高精度数据采集卡,中国发明专利ZL200710191032.4(布里渊散射光信号采集)
7)强则煊,张旭苹,高功率、高平坦度的长波段掺铒光纤超荧光光源,中国发明专利公告号CN1599283(布里渊散射光信号放大)
8)张旭苹、梁浩、路元刚,基于Hadamard矩阵自相关特性的长距离光纤传感方法,中国发明专利ZL200810243463.5
9)张旭苹、俞力、宋跃江,脉冲幅度均匀化的有理谐波锁模光纤激光器,中国发明专利ZL200810022523.0(探测用光源)
10)张旭苹、王顺、杜洪伟、路元刚,仪用恒温装置,中国发明专利ZL200710191029.2(仪器中光器件特别是调制光栅恒温用)
11)王顺、汪亮、张益昕,基于负载特性检测的温度控制器,ZL200710191030.5(仪器中器件的恒温用)
12)王顺、杜洪伟、张旭苹,直流偏置恒流源,ZL200710191028.8(仪器中探测光源控制)
13)王顺、张益昕,无需功率管配对的推挽功率放大器,ZL200710191065.9(信号放大)
14)王顺、张益昕、张凯,带传热速率检测的恒温控制装置及方法,200910034225.8(仪器中光器件恒温用)
15)张旭苹、王顺、张益昕、朱帆,一种布里渊散射谱实时频谱分析装置及其数据处理方法 ,201010152616.2
2、发表的相关论文
1)张旭苹,王峰,路元刚,基于布里渊效应的连续分布式光纤传感技术,激光与光电子学进展,2
(1):
60-64,2009(特约稿)
2)XupingZhang,FengWang,YuangangLuandRongrongDou,ImprovementofSpatialResolutionofBOTDRbyFittingBrillouinFrequencyShiftDistributionCurve,The8thInternationalConferenceonOpticalCommunicationsandNetworks,15-17.September,Beijing,2009,(InvitedPaper)
3)韩瑜,张旭苹,王顺,网状光网络物理层智能实时监测保护设备设计,南京大学学报(自然科学),2010,46
(1):
1-10
4)韩瑜,张旭苹,基于光网状网物理层的智能全光保护方案设计,东南大学学报(自然科学版),2009,39(6):
1135-1141
5)FengWang,XiaoyiBao,LiangChen,YunLi, JeffreySnoddyandXupingZhang,UsingpulsewithdarkbasetoachievehighspatialandfrequencyresolutionforthedistributedBrillouinsensor,OpticsLetters,33(22):
2707-2709,2008.
6)FengWang,XiaoyiBao,YunLi,LiangChenandXupingZhang,ReversePeakofBrillouinSpectruminBOTDAsensor,Proc.ofSPIE,7158(7158OJ):
1-6,2008(InvitedPaper)
7)FengWang,XupingZhang,YuangangLu,RongrongDouandXiaoyiBao,SpatialResolutionAnalysisforDFT-BasedBrillouinOpticalTimeDomainReflectometry,MeasurementScience&Technology
(2):
025202,2009
8)V.P.Kalosha,Wenhai.Li,FengWang,LiangChenandXiaoyiBao,“Frequency-shiftedlightstorageviastimulatedBrillouinscatteringinopticalfibers”,OpticsLetters.,33(23):
2848-2850,2008
9)YuangangLu,RongrongDou,andXupingZhang,WidebandDetectionofSpontaneousBrillouinScatteringSpectruminBrillouinOpticalTime-DomainReflectometry,Proc.SPIE,7158(715818):
1-7,2008
10)王峰,张旭苹,路元刚,董玉明,提高BOTDR应变测量空间分辨率的等效脉冲光拟合法,光学学报,2008;28
(1):
43-49
11)梁浩,张旭苹,路元刚.基于自发布里渊散射的双路分布式光纤传感器设计与实现.中国光学与应用光学,2
(1):
60-64,2009
12)梁浩,张旭苹,李新华,路元刚,布里渊背向散射光谱数据拟合算法设计与实现,光子学报,38(4):
651-655,2009
13)张婷,路元刚,张旭苹.基于边缘检测的最小不连续相位展开算法,光学学报,2009,29
(1):
180-186
14)张婷,路元刚,张旭苹,禁忌搜索在最小不连续相位展开算法中的应用,光学学报,2009,29(8):
2169-2174
15)杜洪伟,王顺,张旭苹,恒流开关电源驱动的光纤光栅恒温控制系统,自动化仪表,2009,30(3):
35-38
16)俞力,宋跃江,张旭苹,单纵模、波长可开关的线性腔光纤激光器,中国激光,29(10):
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18)Y.J.Song,L.Zhan,S.Hu,etal.TunablemultiwavelengthBrillouin-Erbiumfiberlaserwithapolarization-maintainingfiberSagnacloopfilter,IEEEPhoton.Technol.Lett.16,2015(2004).
19)S.Hu,L.Zhan,Y.J.Song,W.Li,S.Y.LuoandY.X.Xia,Switchablemulti-wavelengthErbium-dopedfiberringlaserwithamulti-sectionhigh-birefringencefiberloopmirror,IEEEPhoton.Technol.Lett.17,1387(2005).
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58-60,2008
21)李响,王顺,张旭苹,海底光缆绝缘层监测系统设计与实现,光电子技术,28(3):
165-169,2008
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32)李新华,梁浩,徐伟弘,张旭苹,常用分布式光纤传感器性能比较,光通信技术;31(5):
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ConferenceSeries;48:
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35)ZhangXuping,DongYuming,andLuYuangang.Brillouin-scatteringbasedfullydistributedopticalfibersensingtechnologyanditsapplicationinopticalcablemonitoring,Proceedingsofthe5thinternationalconferenceonopticalcommunicationsandnetworks,Chengdu,China;408-411,2006(Invitedpaper)
七、应用
在总装“十五”军事通信技术预研项目“XX光缆网XXXXX监测技术”支持下,我们从2002年以来,就开展了利用布里渊反射光进行海底光缆网健康与安全监测技术的研究,所研发的“海底光缆故障点精确定位技术”不仅申请并获得了国家发明专利,还将该技术应用于某部海缆线路、上海到嵊泗的宝钢海缆供电线路以及上海的我国首个双极长距离商业化海缆线路的故障诊断和精确定位。
如在首个双极长距离商业化海缆的北缆5根光纤全部因故断裂的情况下,上海凯波水下工程有限公司承接了该线路的维修工作,并专门聘请了国内某著名海缆生产企业检测部帮助寻找故障位置。
该企业经过一个星期左右的检测和排查,仍然无法确定断点的位置。
在这种情况下,上海凯波水下工程有限公司请我们前往上海进行断点精确定位。
我们仅用不到一天的时间,就成功地判断出了断点的位置,协助该公司顺利找到了断点。
因为每耽搁一天,海上的费用就要增加数万元,而由于光纤断裂引起的通信中断所造成的损失更大。
为此,每提前一天成功地快速、精确获得故障点位置,将减少经济损失数十至数百万元,产生了极大的直接和间接经济效益。
而保障通信的社会效益更是无法估量。
在研发初期阶段,我们主要基于日本AQ8603应力测试仪,根据布里渊效应的特点,开发数据采集与处理模块以及一些辅助设备。
2008年开始,采用拥有自主知识产权技术的布里渊散射的长距离快速温度/应变测量模块对通信缆、铁路栅栏等进行监测,取得了很好的监测效果,试用单位包括中国人民解放军七三六八一部队、上海铁路局计量检测站、上海铁路局杭州工务段等单位。
下图为测试现场。
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