一种利用布里渊谱宽确定光纤SBS阈值的新方法

针对传统的通过功率信息测量所得受激布里渊散射阈值偏高的问题,提出了一种利用布里渊散射谱宽确定光纤受激布里渊散射阈值的新方法。分析了本地外差检测的原理及布里渊散射谱宽与入纤光功率的关系;设计了基于本地外差检测的布里渊散射谱测量系统,在常温下对不同长度标准单模光纤的受激布里渊散射阈值进行了测量。实验结果表明:当光纤长度分别为48.8 km和9.5 km时,根据功率信息获得的受激布里渊散射阈值对应的布里渊散射谱宽均接近恒定值10 MHz,此时已发生严重的泵浦耗尽效应。利用布里渊散射谱表现出的低入纤功率时谱宽的线性下降特性和高入纤功率时谱宽的功率无关特性确定的两种光纤长度下的受激布里渊散射阈值分别为1.12 mW和3.8 mW,对应的布里渊散射谱宽分别为24.86 MHz和23 MHz,其值近似等于布里渊自然线宽。文中的研究结果对布里渊光时域反射系统最大入纤光功率的确定具有重要的参考价值。     

微波外调制BOTDA光纤传感系统

通过微波电光调制和光纤光栅滤波产生连续泵浦光信号,声光调制产生脉冲信号,设计了一个基于布里渊光时域分析（BOTDA）技术的单端光纤传感系统。该系统通过扫描微波频率实现布里渊谱的测量,进而获得传感光纤上温度和应变的数据。对系统空间分辨率、测量时间等性能进行了分析,并对布里渊信号进行了仿真。     

一种新型瑞利BOTDA系统的研究

搭建了一种新型的基于瑞利散射的布里渊光时域分析（Rayleigh Brillouin optical time domain analysis, RBOTDA）传感系统。该系统工作在单端,能克服传统 BOTDA双端接入的缺点;采用两个EOM并联的结构产生含有连续基底光的脉冲光,探测光由基底连续光的瑞利散射提供,避免了多种受激布里渊散射（stimulated Brillouin scattering,SBS）作用带来的干扰,信噪比更高,传感距离更长;采用双边带探测方法,有效减少泵浦脉冲的损耗与非本地效应。建模解析了该系统中的SBS作用过程,并实验验证了系统的可行性。结果表明,布里渊增益谱完好地贴合洛伦兹曲线,非本地效应得到了有效的抑制;在2.4 km光纤上,室温25℃下泵浦脉宽50 ns时,布里渊频移为10.867 GHz,布里渊线宽约为40.21 MHz。     

脉冲光布里渊散射信号的拉曼放大研究

实验研究了前向拉曼泵浦方式下脉冲信号光产生的自发布里渊散射信号和受激布里渊散射(SBS)信号的拉曼放大规律。拉曼泵浦放大自发布里渊散射信号时,随泵浦功率增大会出现SBS现象,对散射信号的放大由拉曼放大和布里渊放大两部分引起,因此增益较大,当拉曼泵浦功率为1 000 mW时Stokes光增益可达54 dB。拉曼泵浦放大SBS信号时,放大过程中只存在拉曼放大。且当泵浦功率增大至600 mW时,会引起多级布里渊散射,致使一级Stokes和泵浦能量会转移到下一级布里渊散射,一级Stokes光增益饱和并下降。     

布里渊光时域反射系统中布里渊散射信号的前向和后向拉曼放大研究

由于布里渊光时域反射(BOTDR)系统中布里渊散射信号非常微弱,常常导致传感距离受限,进而影响系统的信噪比和测量精度。因此,提出对BOTDR系统中布里渊散射信号的前向和后向拉曼放大进行研究。实验结果表明,后向抽运拉曼放大的受激布里渊散射(SBS)阈值要比前向抽运的高;当抽运功率为700mW时,前向抽运放大增益可达13.78dB,随后出现二阶布里渊散射谱线,使得放大增益开始下降;当抽运功率为1000mW时,后向抽运放大增益可达16.33dB,随后放大增益仍有增长的趋势,有利于对布里渊背向散射信号持续放大。     

增益型受激布里渊相移谱宽范围功率特性

相移谱的功率依赖特性对矢量布里渊光时域分析系统的优化设计具有重要意义。对增益型受激布里渊散射（SBS）相移谱进行了建模分析；搭建了外差pump-Stokes系统，在5~90 mW泵浦光功率和5 W~9 mW斯托克斯光功率范围内测量了400 m标准单模光纤的增益型SBS相移谱；分析了Stokes光功率影响增益型SBS相移的机理。结果表明:当固定Stokes光功率时，增益型SBS相移范围与泵浦光功率成良好线性关系；因泵浦耗尽作用的影响，导致当Stokes光功率由5 W上升至8 mW时，增益型SBS相移范围的泵浦光功率灵敏度由1.448（）/mW下降至1.156（）/mW。根据理论和实验结果，对增益型VBOTDA系统进行了优化设计分析，为其在长距离和高精度传感领域的发展奠定了基础。     

基于瑞利散射的单端BOTDA系统温度特性研究

提出一种不受电光调制器传输曲线温度漂移现象影响的基于瑞利散射的单端布里渊光时域分析系统,并对系统所需的合成信号及温度特性进行分析,通过搭建单端布里渊光时域分析温度传感系统测量系统的温度特性.结果表明:通过测量布里渊增益谱获得的布里渊频移与温度呈良好的线性关系;由单端布里渊光时域分析温度测量系统获得的布里渊频移的温度系数为1.109 MHz/℃,与传统双端布里渊光时域分析系统获得的1.20 MHz/℃具有良好的一致性,在1.77 km光纤上可实现9.5m空间分辨率的温度传感测量.     

光纤受激布里渊散射的光信号特性分析

为了研究抽运光的脉冲宽度对布里渊散射光的影响,对光纤传感系统中基于受激布里渊散射的三波耦合方程进行了分析,采用频域分析和一种微扰近似理论推导了散射光的近似表达式,然后通过数值计算分析了散射光随着脉冲宽度的变化规律。结果表明,在宽度接近于20ns(声子寿命)的脉冲下,散射谱出现多波峰结构;当宽度越来越接近于40ns时,主波峰逐渐增大,次波峰逐渐减小;当采用的脉冲宽度远远大于声子寿命时,散射谱只出现一个波峰并且维持一个波峰不变。此研究为传感中选取合适的脉冲宽度提供了参考。     

BOTDA系统偏振效应研究动态

文章对布里渊光时域分析(BOTDA)分布式光纤传感系统中的偏振效应机理及受激布里渊散射的矢量模型分析进行了阐述。对目前国内外的研究现状,从受激布里渊散射效应中偏振相关布里渊增益谱分析、控制偏振态以及抑制偏振衰落技术等方面进行了详细介绍。布里渊光纤传感系统矢量建模分析和偏振态控制技术具有很好的研究前景,对未来研究中利用偏振态的敏感特性进行分布式传感光纤的温度、应变和振动信息测量及抑制偏振衰落来提高光纤传感系统空间分辨率都具有参考价值。     

布里渊光时域光纤传感中的快速测量技术

布里渊光时域光纤传感是一种连续分布式光纤传感技术,可广泛用于获取沿传感光纤的温度和应变等物理量分布。如何提高布里渊散射信号的测量和处理速度,以满足工程应用中的快速测量需求,是布里渊光纤传感领域研究者的主要关注点之一。文章通过分析传统布里渊光时域光纤传感系统的耗时来源,综述了近年来基于频率调制、功率谱测量、图像处理去噪和布里渊谱拟合方法改进等布里渊光时域传感中的快速测量技术研究进展。     

相位敏感OTDR和布里渊OTDR结合的双参量分布式光纤传感的研究

在分布式光纤传感及应用中,单一传感系统一般只能实现一种参量的监测,如相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)只能监测光纤沿线的振动信息,布里渊光时域反射计(BOTDR)仅能监测应变/温度信息。对于多参量监测的应用场合,必须通过配合多种技术和系统来实现多参量监测和分析,增加监测成本和复杂性。设计并搭建了一种集成Φ-OTDR和BOTDR的双参量分布式光纤传感系统。该系统通过同时测量光纤中的瑞利散射和布里渊散射信号,在一根传感光纤中实现了温度/应变和振动的双参量检测。经过试验测试和验证,其测量距离达50 km以上,空间分辨率可达20 m,温度测量精度为±3℃,频率测量精度±0.15 Hz以上。     

基于BOTDA传感技术的空间分辨率研究

空间分辨率是BOTDA传感系统的一个重要参数,其主要取决于泵浦脉冲光的宽度。为了提高BOTDA系统的空间分辨率,在不改变泵浦脉冲光宽度的情况下,采用螺旋式盘绕传感光纤的方法,分析了布里渊散射传感原理,理论上分析采用螺旋式盘绕光纤对提高实际测量空间分辨率的影响。实验中泵浦脉冲光宽度为10 ns,BOTDA系统采样间隔为0.4 m。采用1 m长螺旋式盘绕传感光纤监测0.5 m管线轴向温度分布,监测空间分辨率为0.5 m。分析结果表明,采用螺旋式盘绕光纤更有利于提高监测管线温度场的空间分辨率。     

基于脉冲光的布里渊散射阈值分析

针对连续分布式布里渊光纤传感器的传感特性与阈值问题,根据光纤中泵浦光与斯托克斯光之间耦合波方程,推导出布里渊散射阈值的关系式,通过计算分析该关系式与入射光的脉冲宽度、光纤半径和温度的关系,提出了基于脉冲光布里渊散射的阈值理论估算模型。在实验中,利用布里渊光时域反射仪系统,得出了脉冲光布里渊阈值特性,并与理论模型的结果进行对比分析,实验证明了该脉冲光阈值模型的结果与实验得到的布里渊阈值能够较好的吻合。     

SNR improvement in self-heterodyne detection Brillouin optical time domain reflectometer using Golay pulse codes

The application of Golay pulse coding technique in spontaneous Brillouin-based distributed temperature sensor based on self-heterodyne detection of Rayleigh and Brillouin scattering is theoretically and experimentally analyzed. The enhancement of system signal to noise ratio (SNR) and reduction of temperature measurement error provided by coding are characterized. By using 16-bit Golay coding, SNR can be improved by about 2.77 dB, and temperature measurement error of the 100 m heated fiber is reduced from 1.4 °C to 0.5 °C with a spatial resolution of 13 m. The results are believed to be beneficial for the performance improvement of self-heterodyne detection Brillouin optical time domain reflectometer.     

单激光源布里渊光学时域放大系统的光路结构

提出了一种单激光源的布里渊光学时域放大(BOTDA)系统的光路结构,只需用到1台激光器,且扫频范围由高频微波频率(约11 GHz)降为中短波频率(MHz),节省了成本.建立了相应的实验系统,将传感光纤置于温控箱中进行实验,获取了布里渊散射信号随温度变化的实验数据.推导出传感光纤两端入射光频差恒定时布里渊散射信号与温度间...