面向交通隧道渗漏水监测的光时域门控混沌拉曼传感
批准号:
62075151
项目类别:
面上项目
资助金额:
61.0 万元
负责人:
张明江
依托单位:
学科分类:
传输与交换光子器件
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
张明江
中文摘要
交通隧道在国家经济发展中扮演着重要角色。渗漏水病害一直是交通隧道安全和健康面临的严重问题。拉曼光纤传感技术在隧道渗漏水监测中具有重要应用前景。但是,因传感空间分辨率不足导致渗漏等级较小时由渗漏水产生的温度变化特征无法识别,造成重大灾害隐患。. 本项目针对现有拉曼光纤传感系统难以实现隧道渗漏水等级精准诊断和定位的技术瓶颈,提出一种光时域门控混沌拉曼传感方法。基于混沌拉曼反斯托克斯信号与参考信号的互相关函数短尺度时域压缩解调机理,精准探测淹没在环境温度噪声中由渗漏水产生的温度变化信息,通过相关峰延迟时间联合时域门控脉冲飞行时间探测温度变化信号精确位置;建立“温度突变特征-隧道结构-渗漏水状态”作用模型,实现隧道渗润、滴水、流水、喷水、淋瀑五种等级诊断及其渗漏点精准定位,并揭示光纤非线性拉曼散射效应与混沌激光场作用机理及影响规律,推动隧道安全监控和光纤传感领域的进一步发展。
英文摘要
The traffic tunnels play an important role in national economic development. Water leakage has always been a severe problem in the safety and health of traffic tunnels. The Raman fiber sensing technology has a good application prospect in tunnel water leakage monitoring. However, due to the inferior spatial resolution of the sensor, the temperature change caused by low water leakage grades cannot be distinguished, which will result in a serious disaster. . Aiming at the technical bottleneck of the existing Raman optical fiber sensing system which is difficult to accurately diagnose the leakage grades and locate the position, an optical temporal-gating chaotic Raman sensing method is proposed in this project. Based on the short-scale time-domain compression and demodulation mechanism of the cross-correlation function between the chaotic Raman anti-Stokes and the reference signal, the information of the temperature change caused by the water leakage can be accurately identified from the ambient temperature noise. And the position of the temperature change signal is precisely detected by the correlation peak delay time combined with the temporal-gating pulse flight time. The model of "temperature mutation characteristics-tunnel structure-leakage state" will be established to diagnose the grade of tunnel leakage among seeping water, dripping water, flowing water, spraying water and pouring waterfall, and to accurately detect the location of leakage points. The mechanism and influence between nonlinear Raman scattering effect of fiber and chaotic laser field will be revealed. This project will promote the development of tunnel water leakage monitoring and optical fiber sensing technology.
交通隧道在国家经济发展中扮演着重要角色,而渗漏水病害一直是交通隧道安全和健康面临的严重问题。针对隧道渗漏水安全监控领域存在监测困难、渗漏区域定位不准等技术难题,本项目提出了一种基于混沌激光相关法光时域门控方案、长距离和高空间分辨率兼顾的拉曼分布式光纤传感技术,实现了厘米级隧道渗漏水的精确定位监测。本项目首先建立了沌拉曼反斯托克斯信号散射和传播模型,通过光反馈产生了宽频谱的混沌激光,然后提出混沌时域差分重构与相关压缩、混沌相关二阶偏导、混沌非对称脉冲对相关增强、混沌激光脉冲簇、复数域强度混沌强度啁啾、残差复合双卷积神经网络去噪等多种混沌相关定位和温度解调方案,突破了传统拉曼分布式光纤传感技术器空间分辨率受限于光源脉宽的技术瓶颈,实现了厘米级空间分辨率,并有效提升了系统长距离传感的信噪比,最终实验实现了45km的传感距离、1cm的空间分辨率和0.1℃的测温精度。并研制出一款新型混沌拉曼分布式光纤传感系统样机,该系统经隧道渗漏水模拟实验验证了其高精度定位隧道渗漏水方案的可行性,为隧道安全监测及高精度分布式光纤传感发展提供了理论与技术支持。.受项目资助,项目负责人入选2024年度国家“万人计划”科技创新领军人才,出版英文学术专著1部,项目组成员发表期刊学术论文45篇(Nature子刊 Light:Science&Applications发表2篇,SCI收录34篇,EI收录8篇),申请/授权国家发明专利15项。相关的研究成果获得2021年度山西省自然科学二等奖、2023年度中国光学工程学会技术发明二等奖、2022年度“金燧奖”中国光电仪器品牌榜铜奖、2024年度中国仪器仪表学会技术发明奖二等奖、2023年度中国十大光学产业技术提名奖及人气奖等科研奖励共计17项,培养硕博生共计28人,进行学术报告17人次,成功举办2022光学精密测量国际会议。
混沌激光相干法实现长距离高分辨率的分布式光纤传感
-
批准号:61377089
-
项目类别:面上项目
-
资助金额:82.0万元
-
批准年份:2013
-
负责人:张明江
-
依托单位:
面向UWB-over-fiber的光生可调谐超宽带信号研究
-
批准号:61108027
-
项目类别:青年科学基金项目
-
资助金额:28.0万元
-
批准年份:2011
-
负责人:张明江
-
依托单位:
国内基金
海外基金