高低温环境下飞行器结构多参量快速检测的布里渊光时域反射光纤传感基础研究

Aiming at the bottleneck of aircraft structure monitoring, we propose to introduce the Brillouin Optical Time Domain Reflectometry optical fiber sensing technology into the field of aircraft structure detection, to meet the requirement of detecting continuous distributed multi-parameters such as temperature, strain and pressure of the aircraft structure rapidly in high and low temperature environment. In order to break through the difficult problem of slow measurement and low precision, we will use the quasi-equal intensity multi-peak Brillouin scattering spectrum fiber(QIMBSSF) as a new kind sensing fiber, to carry out the research project titled "Basic Research on Brillouin Optical Time Domain Reflectometry Optical Fiber Sensing Used for Multi-parameter and Rapid Detection of Aircraft Structures in High and Low Temperature Environment". In the project, we will study the mechanism of the photon and phonon interaction in the QIMBSSF, explore the law of the power of Brillouin beating spectrum versus temperature and strain in high and low temperature environment, and research the structure control, screening and design method of optical fiber with high sensitivity response to temperature and strain. Finally, we will apply the research results into the multi-parameter continuous distributed and rapid detection of typical aircraft structure..The study is intended to deal with the key scientific problems of the mechanism of the photon and phonon interaction in the QIMBSSF, and the law of power of Brillouin beating spectrum versus temperature and strain in high and low temperature environment. The research can lay the theoretical and technical foundation for the development of a new sensing system that provides more effective protection for the safety of aviation and aerospace vehicles, and thus has important theoretical significance and application value.

针对飞行器结构监测的瓶颈，面向高低温环境下飞行器结构的温度、应变和压强等多参量的连续分布式快速检测需求，提出将布里渊光时域反射光纤传感技术引入到飞行器结构检测领域。为突破其测量速度慢、精度低的难题，将准等强度多峰布里渊散射谱光纤作为新颖的传感光纤，开展“高低温环境下飞行器结构多参量快速检测的布里渊光时域反射光纤传感基础研究”课题。研究准等强度多峰布里渊散射谱光纤中光、声子相互作用机制，探明高低温环境下布里渊互拍谱功率随温度和应变变化的规律，探索温度与应变高灵敏度响应光纤的结构调控、筛选和设计方法，应用于典型飞行器结构的多参量连续分布式快速检测。.该研究拟解决准等强度多峰布里渊散射谱光纤中光、声子相互作用机制,高低温环境下布里渊互拍谱功率随温度和应变变化的规律等关键科学问题，为研制出对航空航天飞行器安全提供更有效保障的新型传感系统奠定理论和技术基础，具有重要的理论意义和应用价值。

温度与应变的分布式监测需求十分广泛，能源、电力、建筑、通讯、交通、安防等诸多领域都把其作为一种必需的故障诊断及事故预警手段。为了实现温度、应变和压强等多参量的连续快速大范围监测，本项目开展了高低温环境下飞行器结构多参量快速检测的布里渊光时域反射光纤传感基础研究。将布里渊光时域反射(BOTDR)技术引入飞行器结构多参量快速检测领域时，为了突破其测量速度慢、测量精度低和测量范围窄的问题，我们提出了基于准等强度多峰布里渊散射谱光纤的零差BOTDR检测方法，研究了准等强度多峰布里渊散射谱光纤中光、声子相互作用机制及自发布里渊散射互拍谱的产生机制，探明了高低温环境下准等强度多峰布里渊散射谱光纤的布里渊互拍谱功率随温度和应变变化的规律，探索了调控光纤结构以获得温度和应变高灵敏度响应新型光纤的方法，研究设计了适用于高低温环境下传感的准等强度多峰布里渊散射谱光纤。此外，项目研究过程中我们还开展了提高布里渊传感系统的测量速度、精度与空间分辨率研究，多参量测量与传感范围提升的应用研究，及多种光纤在纳秒级高能脉冲激光泵浦下的后向受激布里渊散射效应的研究。.我们提出了基于准等强度多峰布里渊散射谱光纤的零差BOTDR检测方法；研究了准等强度多峰布里渊散射谱光纤中光、声子相互作用机制及自发布里渊散射互拍谱的产生机制；探明了高低温环境下准等强度多峰布里渊散射谱光纤的布里渊互拍谱功率随温度和应变变化的规律；探索了调控光纤结构以获得温度和应变高灵敏度响应新型光纤的方法；提出了具有线性区域合并的新型快速双斜坡辅助BOTDR；提出了基于布里渊互拍谱和增益谱的BOTDR技术；研究了基于前向布里渊散射的多参量传感技术；研究了基于信号处理的快速BOTDR技术；研究设计了适用于高低温环境下传感的准等强度多峰布里渊散射谱光纤；研究了多种光纤在纳秒级高能脉冲激光泵浦下的后向受激布里渊散射效应。.该研究涉及非线性光纤光学、导波光学、光子晶体光纤、结构力学、热力学、分布式光纤传感等领域的科学问题，拓展了分布式光纤传感的温度范围，为新型多参量传感光纤的研究及基于功率探测的快速、高精度分布式光纤传感开辟一条新路，具有重要的理论价值。同时该研究的成果不仅能应用于航空航天领域，亦可应用于能源、电力、通信、交通、国防等涉及国计民生与国防安全的重要领域，用于其中各种结构的快速连续分布式温度和应变传感，具有很高的实用价值。