基于SBS矢量特性的单端宽带动态应变测量方法研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    61775057
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    62.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    F0503.传输与交换光子器件
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2017
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2018-01-01 至2021-12-31

项目摘要

To solve the problems that Brillouin optical time domain analysis (BOTDA) systems with double-ended structure are too complicated and their applications are limited, and to broaden the measurement frequency range, enhance the sensitivity and spatial resolution simultaneously, a new method, which bases on the vector characteristics of stimulated Brillouin scattering (SBS) and single-ended structure, is proposed to realize the fast and accurate measurement of dynamic strain along the fiber with wide frequency range, high sensitivity and high spatial resolution. This project aims at putting forward some new methods as follows..Modeling and verification methods for strain dependence of amplitude and phase shift generated by the SBS effect between Rayleigh scattering from the microwave-modulated incident base and pump pulse..Theoretical modeling, evaluating and improving methods for single-ended vector BOTDA system through employing the techniques of double-sideband structure, pulsed pre-pump coding and self-heterodyne detection..Evaluating, improving and amending methods for the influence of fiber dispersion and nonlinear effect on system performance by mathematical modeling..By detecting SBS phase shift and adopting single-ended structure, the system requires no frequency sweep and can realize the nondestructive measurement with low cost. The proposed method can greatly improve signal-to-noise ratio and measurement speed of the system, realize the dynamic strain measurement with wide frequency range, high sensitivity and high spatial resolution by employing double-sideband structure, pulsed pre-pump coding and self-heterodyne detection, which has wide application prospects in the development of geophysics, acoustics and other disciplines, and the fields of online monitoring geological disaster and large engineering structures of electric power, railway.
针对双端结构BOTDA系统结构复杂、应用场合受限且无法同时实现动态应变的宽带、高灵敏度、高空间分辨率测量的问题,提出一种基于SBS矢量特性的单端结构的宽带动态应变测量方法,实现沿光纤动态应变的宽带、高灵敏度、高空间分辨率的快速、准确测量。主要内容:微波调制入射信号基底产生的瑞利散射与泵浦脉冲SBS作用的幅度和相移与应变关系建模及验证;双边带结构、脉冲预泵浦编码、自外差检测单端矢量BOTDA系统建模评价和性能提高方法;光纤色散、非线性效应对系统性能影响的建模和校正方法。该方法利用SBS相移检测,无需频率扫描;采用单端结构可实现非破坏性的低成本测量;利用双边带结构、脉冲预泵浦编码和自外差检测技术,可大大提高系统信噪比和测量速度,实现宽带、高灵敏度和高空间分辨率测量,在地球物理、声学等学科发展及地质灾害和电力、铁路等行业大型结构在线监测领域具有广阔的应用前景。

结项摘要

为了解决双端矢量布里渊光时域分析(BOTDA)系统在光纤断裂时无法检测的问题,本项目提出了将光纤产生的背向瑞利散射作为探测光的单端矢量BOTDA动态应变传感系统。通过对单端BOTDA系统的受激布里渊散射(SBS)作用机理及外差检测的建模分析,完成了光纤矢量SBS耦合波方程的解析及相移谱与应变的敏感机理研究,搭建了外差矢量单端BOTDA动态应变传感系统;为了实现空间分辨率和测量精度的同时提高,将脉冲预泵浦概念引入单端矢量BOTDA动态应变测量系统;为了提高系统的应变灵敏度、减小光源频率漂移的影响,将双边带结构和自外差检测引入测量系统。为了解决系统性能指标相互制约的问题,对脉冲编码单端BOTDA系统进行了理论和实验研究;提出了波长扫描单端BOTDA系统,实现了相干瑞利噪声的降低;研究了基于高阶相位调制技术和平衡探测技术的传感系统,实现了信噪比的提升。搭建基于BOTDA的海缆振动信号监测模拟实验系统,提出TSA-VMD-MPE对振动信号降噪;利用单模光纤中的双折射效应,建立了光纤振动监测模型,并进行仿真和实验验证。为了准确实时地提取布里渊散射谱,提出采用极限学习机、优化的神经网络、优化的互相关、相似匹配及非线性最小二乘拟合的线性转化等方法,并对布里渊增益谱特征参数提取准确性的影响因素进行研究;提出一种三芯光纤三维形态重构算法。提出采用宽带光源、相移键控脉冲编码、基于多频探测光和频移平均技术以提高BOTDR系统性能。此外,设计了弯曲容忍的分布式光纤传感器以克服弯曲造成的传感性能降低。由于SBS阈值是限制单端BOTDA系统入纤功率和信噪比的主要因素,完成了单端BOTDA系统的阈值特性的研究;为了研究光纤色散对系统性能的影响,探索了相干光时域反射(COTDR)系统中干涉衰落噪声的产生机理,通过对基于COTDR的分布式光纤传感的研究,完成了色散对脉冲宽度及系统性能影响的研究。

项目成果

期刊论文数量(63)
专著数量(0)
科研奖励数量(2)
会议论文数量(1)
专利数量(20)
Estimation of Error in Brillouin Frequency Shift in Distributed Fiber Sensor
分布式光纤传感器布里渊频移误差估计
  • DOI:
    10.1109/jsen.2019.2949618
  • 发表时间:
    2020-02
  • 期刊:
    IEEE Sensors Journal
  • 影响因子:
    4.3
  • 作者:
    Xu Zhiniu;Zhao Lijuan
  • 通讯作者:
    Zhao Lijuan
Analysis of related factors on accuracy in the parameter extraction from Brillouin gain spectrum
布里渊增益谱参数提取精度相关因素分析
  • DOI:
    10.3788/irla201948.0222003
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    红外与激光工程
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    赵丽娟;徐志钮;李永倩
  • 通讯作者:
    李永倩
Highly accurate key parameters extraction algorithm for Brillouin scattering spectrum using Voigt profile
使用 Voigt 剖面的布里渊散射谱高精度关键参数提取算法
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    红外与激光工程
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Xu Zhiniu;Hu Zhiwei;Zhao Lijuan
  • 通讯作者:
    Zhao Lijuan
单模光纤振动信号监测
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    光通信技术
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    尚秋峰;管帅;李玉洁
  • 通讯作者:
    李玉洁
锚砸作用下光纤复合海底电缆的振动特性分析
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    光通信研究
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    尚秋峰;巩彪;郑国强
  • 通讯作者:
    郑国强

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其他文献

基于宽带光源和自外差检测的布里渊光时域反射温度传感系统
  • DOI:
    10.3788/gzxb20164511.1106004
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
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  • 影响因子:
    --
  • 作者:
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  • 通讯作者:
    张立欣
脉冲预泵浦瑞利BOTDA系统的解析模型与仿真
  • DOI:
    10.3788/irla201645.0822005
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    红外与激光工程
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    李永倩;李婷;安琪;李晓娟;李攀
  • 通讯作者:
    李攀
基于BOTDR的光纤复合海底电缆应变/温度监测
  • DOI:
    10.13336/j.1003-6520.hve.2014.02.028
  • 发表时间:
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  • 影响因子:
    --
  • 作者:
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  • 通讯作者:
    吴飞龙
多模光纤布里渊散射角及频移的分析与计算
  • DOI:
    10.13756/j.gtxyj.2014.06.011
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    光通信研究
  • 影响因子:
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  • 作者:
    李永倩;赵旭;赵丽娟
  • 通讯作者:
    赵丽娟
多模布里渊光时域反射系统的建模分析与计算
  • DOI:
    10.3788/aos201636.1006001
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    光学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    李永倩;李晓娟;张淑娥;曹翠新
  • 通讯作者:
    曹翠新

其他文献

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李永倩的其他基金

基于多模LD直接调制和瑞利与布里渊自外差的温度和应变分布同时测量方法研究
  • 批准号:
    61377088
  • 批准年份:
    2013
  • 资助金额:
    80.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目

相似国自然基金

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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