分布式光纤温度和应变传感技术的研究进展

文章针对分布式光纤传感技术现状,介绍了基于相干光时域反射和双脉冲布里渊光时域反射的两种光纤传感技术,这两种温度和应变传感具有高测量精度、高空间分辨率等优点,可广泛应用于国防、科研等领域.详细分析了两种传感方法的系统方案和实现原理,指出了每种方法的关键技术及创新点.探讨了分布式光纤温度和应变传感技术的发展趋势.     

分布式光纤传感技术及其应用

分布式光纤传感技术是近年来光纤传感领域的研究热点.介绍了该领域的研究成果,包括基于光纤后向散射光时域及频域反射技术、基于光纤瑞利散射偏振光时域反射、基于长距离光干涉技术的分布式光纤传感以及基于非同和全同光纤布拉格光栅复用的准分布式光纤传感技术;论述了分布式光纤传感系统的工作原理、特点及性能;介绍了其在民用工程结构、航空航天、船舶工业、电力工业、石油化工业和医学等各个领域中的应用.     

基于BOTDR的多模光纤温度传感

针对多模光纤存在的模式耦合和布里渊增益谱展宽限制传感精度的提高等问题,提出利用单模光纤对多模光纤中散射信号的高阶模进行过滤实现多模光纤分布式温度传感精度的提高.分析了多模光纤的布里渊散射与温度传感原理,搭建单模光纤滤模的移频本地外差布里渊光时域反射(BOTDR)系统,测量并比较了两种多模光纤的温度传感特性.结果表明:在...     

光纤布里渊温度和应变同时传感系统性能分析

采用基于朗道比的微波外差检测技术的布里渊光时域反射传感系统,获得布里渊散射信号的频移和强度,可以精确地测量沿光纤长度的分布式温度和应变信息。此方法在同一条光纤线路上分别测量光纤的布里渊散射和瑞利散射,且使用布里渊频谱扫描对信号进行处理。给出了这种传感方案的实验系统,并在理论推导的基础上对其性能进行了分析,该传感系统可以获得1℃的温度分辨率和100uε的应变分辨率。     

基于多频相干光时域反射计的光纤温度分布测量

提出了一种基于瑞利散射的多频相干光时域反射温度测量方法,采用相位调制产生多频探测光,可有效地提高传感光纤的受激布里渊散射阚值,降低系统中的相干瑞利噪声,提高系统信噪比;当按光源频率和相位调制器调制频率的变化量之比等于二频率之比对二者进行同时调节时,可实现光纤温度的高精度分布式测量.理论研究了多频相干光时城反射计的传感机理,利用MATLAB仿真比较了采用单频和多频光源时传感系统的性能.结果表明,在系统信噪比为5 dB和扫频范围为3 GHz时,系统可达到空间分辨率为1m、最大测量误差为0.005℃的性能指标.     

布里渊谱信号的提升方法研究

在布里渊光时域反射计(Brillouin Optical Time Domain Reflectometer,BOTDR)光纤传感系统中,自发布里渊后向散射信号非常微弱,尤其是光纤远端的布里渊散射信号,信噪比非常差,分析难度非常高。提出了一种基于互相关理论的布里渊谱信号质量提升方法,通过与理想布里渊散射谱进行互相关运算,降低了对光纤远端极微弱布里渊散射信号应变分析的难度。经试验验证,该方法可以有效提升信噪比较差时应变分布数据的信号质量以及BOTDR的应变传感精度。     

基于FBG和光频域反射技术的混合式光纤传感网研究

基于光纤Bragg光栅技术和光频域反射(OFDR)技术 ,构建了一个具有分立式传感子层和分布式传感器子层的双层结构混合式光纤传感网络。 在分立式传感子层中,FBG用于实现温度参量的传感;在分 布式传感子层中,采用OFDR方法解调光纤中的瑞利散射信息从而获得分布式的应 变参量。整个传感 网络共用同一个宽光谱可调谐激光光源,分立式子层和分布式子层两者协同工作,实现应变 和温度两个参 量的高精度测量,其中应变分辨率达到0.75με,温度分辨率达到 ±1℃。本文构建的传感网络为构建大容量、 大规模、多参量、高空间分辨率和高测量精度的光纤传感网络提供了一种有益探索。     

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。     

分布式光纤测温系统原理及传感过程

分布式光纤测温系统依据后向散射原理可以分为三种：基于瑞利散射、基于拉曼散射和基于布里渊散射。目前发展比较成熟,且有产品应用于工程的是基于拉曼散射的分布式光纤测温系统。它的传感原理主要依据的是光纤的光时域反射（OTDR）原理和光纤的后向拉曼散射温度效应。     

单光纤光栅温度应变双参数传感研究

报道了一种用一根光纤光栅实现温度与应变同时测量的传感方案。用于同时传感温度与应变的光纤光栅写于两种不同光纤的连接处 ,本身具有两个反射峰。由于两种光纤的光热系数不同 ,两个反射峰具有不同的温度响应。通过监测两个反射峰的波长移动便可实现温度与应变的同时测量。     

脉冲预泵浦瑞利BOTDA系统的解析模型与仿真

将脉冲预泵浦的概念引入瑞利布里渊光时域分析系统,利用由传感脉冲和经微波调制的预泵浦脉冲组成的阶梯脉冲作调制信号,通过作为探测光的时间有限的预泵浦脉冲1阶边带的瑞利散射与传感脉冲的受激布里渊作用,实现布里渊信号的时域整形,减小非本地效应;通过预泵浦脉冲0阶基带和传感脉冲的受激布里渊作用,实现布里渊信号的谱域整形,有效地解决空间分辨率和测量精度之间的矛盾。利用频域法求解瞬态耦合波方程,建立了阶梯脉冲光在光纤中受激布里渊作用的解析模型。仿真结果表明,当传感脉冲宽度为5 ns、峰值功率为100 mW,预泵浦脉冲宽度为50 ns、峰值功率为16 mW时,在空间分辨率0.5 m内受激布里渊散射增益在0.14 m处达到最大值,然后近似线性下降至0.37 m处,其余位置近似为零;系统布里渊散射谱宽近似为35 MHz,约为传统瑞利布里渊光时域分析系统布里渊谱宽212 MHz的1/6,在相同空间分辨率下提高了频率测量精度。     

Windowed overlapped frequency domain block filtering approach for direct sequence signal acquisition

This study applies a windowed frequency domain overlapped block filtering approach to acquire direct sequence signals. As a novel viewpoint, the windows not only allow pulse shaping without front-end pulse-shaping filter, but also increase the performance of the spectrum sensing unit, which can efficiently be implemented into this frequency domain receiver and may further be used for spectrum sensing in cognitive radios or narrowband interference cancellation in military radios. The proposed receiver is applicable for the initial time synchronization of different signals containing a preamble. These signals include single carrier, constant envelope single carrier, multicarrier, and even generalized multicarrier signals, making the proposed receiver structure a universal unit. Furthermore, the receiver can be used to perform filtering with long codes and compute the sliding correlation of an unknown periodic preamble. The receiver can further be modified to handle large Doppler shifts. We will also demonstrate herein the computational complexity and analysis of the acquisition performance in Rayleigh and Rician fading channels.     

多波段地物微波后向散射特性分析

使用微波多波段极化散射计,通过对多种典型地物微波后向散射特性的测量,讨论了频域数据的处理方法,给出散射回波平均相关带宽和频域、角度、极化变化特性,分析了其内含的物理机制;并利用测量数据,比较和分析国外三个地面散射系数预测模型的有效性和适用性。     

双环形腔复合瑞利后向散射式光纤转动传感特性

基于A.Kung等所提出的后向瑞利(Rayleigh)散射式光纤转动传感原理,提出了一种双环形腔复合的Rayleigh后向散射式光纤转动传感器(RBFORS)新结构.利用两个2×2单模光纤耦合器,建立了复合双环形腔Rayleigh后向散射式光纤转动传感器的理论模型.通过计算机仿真,给出了用光时域反射计(OTDR)探测到的光纤转动传感器输出信号的特性,利用优化的环长和分光比两结构参量,分析了模拟结果.选择双环的长度分别为1500 m和1078 m,2×2光纤耦合器的耦合系数分别为95.23%和94.88%构建了测试系统,对不同转速所探测到的Rayleigh后向散射信号进行测量,得到了实验结论与理论相一致的结果.双环的采用,提高了测量信号的强度,增加了测试的有效数据,使其更有利于识别,提高了转速测量的精度.     

用于BOTDR的双通道可调M-Z干涉仪研究

针对BOTDR分布式光纤传感技术中背向散射光中布里渊散射信号光的分离提取问题,设计了一种高消光比双通道可调M-Z干涉仪,该干涉仪由两个3 dB耦合器、电动光纤延迟线、偏振控制器及光隔离器构成。使用C波段宽带光源(ASE)对M-Z干涉仪性能进行了检测。并将脉宽为100 ns,重复频率为20 kHz的脉冲光入射到长度为5 km的普通单模光纤中,将其产生的背向散射光经过M-Z干涉仪滤波后,通过光谱仪检测其输出的光谱信号。实验结果表明该干涉仪能够实现大范围高精度可调节滤波功能,对瑞利散射光的抑制超过20 dB,可以有效地将背向散射光中的布里渊散射光信号分离提取出来。     

环形腔中背向散射特性的理论研究

研究了连续激光注入时无源环形腔的背向散射特性。首先,分析了注入光与无源腔频率完全匹配时,正向光和背散光振幅的稳态解,以及充光和快速关断过程中正向光和背散光振幅随时间的演化。其次,推导了无源腔中正向光和背向散射光的峰值半宽。最后,讨论了正向光和背散光随注入光频率扫描速度的变化。发现在环形腔中,总背向散射光强要比单圈背向散射光强大,背向散射光的峰值半宽为正向光的0.64倍。这些发现对背向散射精密测量、扫频法测腔损具有一定的参考作用。     

Effect of Rayleigh backscattering from optical fibers on DFB laser wavelength

The effects of Rayleigh backscatter feedback from single-mode fibers on the spectral behavior of 1.5μm InGaAsP DFB lasers were measured. Rayleigh backscattering narrows the laser linewidth and induces frequency hops. The probability distribution for finding the laser at a particular frequency is reasonably approximated by a Gaussian distribution which has a width proportional to the laser-fiber coupling efficiency. Laser frequency excursions up to 1 GHz were observed and larger shifts are predicted to occur for stronger laser-fiber coupling. The experimental results agree well With a theory based on the Van der Pol oscillator model.     

A Study of Optical Backscattering Enhancement from One-Dimensional Rough Surface Using Monte Carlo Method

In this paper, according to Kirchhoff approximation, the optical backscattering enhancement of one-dimensional random rough surface, which includes fractal rough surfaces and random rough surfaces with Gaussian and exponential correlation simulated by Monte Carlo method, is obtained. It is shown that backscattering enhancement of random rough surfaces will increase with increasing the rms height of rough surface for a given correlation length. The angle width of backscattering enhancement is directly proportional to incident wavelength and inverse proportional to correlation length of rough surface. Complex phase of scattering field from superposed rough surface is uniformly distributed, none of the directions is of more overweight. The backscattering enhancement is also studied by wavelet analysis. The numerical results show good consistent with that of the relative references.