多段分布式光纤裂缝监测系统及其应用

基于光纤拉断引起菲涅尔反射机理,考虑大型工程结构多处随机裂缝监测的需求,利用普通商用光时域反射计(OTDR)提出了可同时探测多处随机裂缝的多段分布式光纤裂缝监测系统设计方法。该系统由多区段传感光路和传输光路组成,混凝土开裂时光纤被拉断,使用OTDR识别光纤中的菲涅尔反射以确定裂缝位置。其次,分析了影响该系统监测裂缝数目的主要因素为光纤耦合器的耦合比、OTDR的动态范围以及光纤断点处菲涅尔反射峰值。结果表明,该系统对于普通商用OTDR理论上最多可探测到49个断点。在此基础上,设计制作了钢筋混凝土受弯构件裂缝演化规律的多段分布式光纤裂缝监测系统,使用普通商用OTDR成功地监测到受弯构件加载过程中的多个随机裂缝的演化过程,证明了该系统实际应用的可行性和有效性。     

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...     

基于脉冲调制的Φ-OTDR研究综述

基于相位敏感光时域反射计（Φ-OTDR）的分布式光纤振动传感系统向传感光纤中注入探测光脉冲,通过测量光脉冲传输过程中产生的背向瑞利散射光的波动实现对入侵扰动的识别和定位,故探测光脉冲对Φ-OTDR系统性能有重要影响。介绍了Φ-OTDR基于光脉冲调制方面的研究进展,其中包括光脉冲的宽度、频率、形状以及消光比等参数对Φ-OTDR系统性能影响机理,以及通过脉冲调制优化Φ-OTDR系统信噪比、报警率、空间分辨率、响应带宽等参数以及恢复振动信号波形方面的研究进展。旨在通过光脉冲调制实现Φ-OTDR系统多项性能指标同步提升提供新思路,进一步推动Φ-OTDR的工程应用。     

基于Φ-OTDR的分布式光纤扰动传感系统研究现状

基于相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)的分布式光纤扰动传感系统一直是扰动监测方面的研究热点。通过对比与传统光时域反射计(OTDR)的区别,介绍了Φ-OTDR传感系统的结构和工作原理。根据其发展动态,以提高传感距离和定位精度为目的,从Φ-OTDR系统结构的改进出发,分别论述了传统式、拉曼式、布里渊式和级联式四种典型的Φ-OTDR扰动传感系统的工作原理及研究现状,总结了各自的优缺点,为在实际应用中选择合适的系统结构提供了方向,最后展望了基于Φ-OTDR的分布式光纤扰动传感系统的应用前景。     

基于内调制啁啾脉冲的高信噪比低成本直接探测型φ-OTDR系统

提出一种新型的基于内调制啁啾脉冲的高信噪比(SNR)直接探测型相位敏感光时域反射计(φ-OTDR)。通过理论分析可得,利用啁啾脉冲的方法并通过提高受激布里渊阈值可提高注入光能量,提高探测信号中的直流分量可使信号与噪声分离,进而提升SNR。提出一种φ-OTDR系统信噪比的综合评判方法,对SNR的统计特性进行分析。同时,开展了基于分布式反馈激光器的内调制直接探测型φ-OTDR系统实验研究,利用可调谐滤波器对内调制产生的频率啁啾范围进行控制,经对比实验验证,可得所提系统与传统φ-OTDR系统的信噪比期望相当,分布方差更小,测量可靠度更高的结论。此外,该系统还具有成本低、结构简单等优点,实际应用时可以利用光纤布拉格光栅代替可调谐滤波器,提升其应用的灵活性,为工程应用提供新的解决方案。     

基于相位敏感光时域反射计的音频激励信号解调与复现

解调复现外部振动信号在实际工程监测应用中具有广阔的应用前景。基于相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)的DAS可以探测分布式单模光纤的振动信号,其集传感和光纤于一体且还原原始信号时无需参考信号,适用于工程应用。本文设计演示了一种基于 Φ-OTDR的直接监测的简易且低成本的音频振动信号的解调与复现系统。在实验装置中使用聚苯乙烯板作为声音在空气中传输的增敏材料。将正弦干扰声音、人声及音乐三种激励源通过扬声器对待测光纤播放,证明本系统能在10 km的传输距离中复现频率丰富的外部振动信号,且具有4 m的空间分辨率,该系统适用于长距离监测下的外部振动的解调复现。     

一种低误报率的新型光纤分布式振动传感系统

针对目前-OTDR光纤分布式振动传感器由于散射光波光强不稳定造成误报率较高的问题,文中提出一种-OTDR和Mach-Zehnder干涉仪相结合的光纤分布式振动传感新系统,-OTDR和Mach-Zehnder干涉仪分别对外界振动进行探测,从而降低单一-OTDR探测的误报率。实验研究了-OTDR和提出的新的复合结构系统对外界振动探测的误报率,实验结果表明:在复杂环境下,与现有-OTDR方案相比,提出的基于-OTDR和M-Z干涉仪复合结构的方案可以有效降低系统的误报率,使系统的误报率由单一-OTDR的25%降至2%。     

光纤通信中声子损耗对受激布里渊散射的影响

对光纤通信系统中的受激布里渊散射（SBS）以及声子损耗对SBS的影响进行了研究.理论上,通过数值计算得出增大声子损耗能够提高布里渊阈值的结论;实验上,测量了不同长度的光纤在不同输入光功率下的反向Stokes光及输出光,观察了光纤中加入声子阻塞器对SBS阈值的影响,并测量了阻塞器位于光纤中不同位置时的SBS.研究结果表明,在光纤线路中加入声子阻塞器可以提高SBS阈值,而且在光纤的不同位置的阻塞器对SBS影响有所不同,在被测的60 km光纤上起点30 km处插入阻塞器时的布里渊阈值最高.     

新型光纤激光雷达的结构理论分析与作用距离计算

为了改善当前激光雷达存在的对振动敏感,体积庞大,对人眼不安全等问题,综合国内外激光雷达研究现状的基础上.给出了一种新型光纤激光雷达的结构.该雷达利用光纤激光器作为光源,光路中大量采用了光纤器件,使得系统体积大大减小.采用相干探测的原理,根据激光雷达作用距离方程,给出了信噪比与光纤激光雷达作用距离的关系.根据所选的器件参数,通过理论计算,在探测概率为0.9,虚警概率小于10-4的情况下,得到了2 km的最大作用距离.所设计的光纤激光雷达体积小,结构紧凑、新颖,具有良好的探测能力.     

选择性平均的φ-OTDR分布式光纤扰动传感系统阈值算法

阈值的准确设定是有效降低-OTDR分布式光纤扰动传感系统误报和漏报率的关键。针对该问题,提出了一种基于选择性平均的-OTDR分布式光纤扰动传感系统阈值算法,采用相关差值预挑选的方式确定信号模板,进行阈值模板匹配。理论和实验研究表明:提出的选择性平均阈值算法,能够更有效设定阈值,提高信噪比,降低-OTDR分布式光纤扰动传感系统的误报和漏报率,与直接平均和移动平均阈值算法相比,所提出的选择性平均阈值算法将误报率分别降低了5%和3%,漏报率均降低了2%;信噪比分别提升了2.55 dB、1.1 dB。所提出的算法有助于提高-OTDR分布式光纤扰动传感系统在实际应用中可靠性。     

基于强度调制和布里渊效应的六倍频可调毫米波信号产生

提出了一种新型的基于马赫-曾德尔调制器(MZM)和布里渊效应实现六倍频可调毫米波信号输出的方法。在本方案中,先调节MZM的直流偏置,抑制偶数边带,留下奇数边带;经过大功率掺Er3+光纤放大器(EDFA)放大之后,使两个一阶边带的功率达到布里渊阈值之上,然后采用了25km的单模光纤(SMF)作为布里渊介质,滤除一阶边带,留下三阶边带;最后经过EDFA放大和光电探测器(PD)光电转换得到六倍频的毫米波信号。因为布里渊边带滤波是窄带滤波,与波长无关,故本系统可以实现波长无关的微波信号产生。     

基于腔衰荡光谱技术的三参量同时测量光纤微腔传感器

提出并实现了一种基于腔衰荡光谱(CRDS)技术的三参量同时测量的光纤微腔传感器。利用高频CO2激光脉冲技术在1 060nm单模光纤(SMF)上直接刻蚀光学微腔,并将其作为传感单元接入到光纤环谐振腔中,通过测量脉冲激光衰荡时间实现了对温度、折射率和应变3个不同参数的同时传感测量。整个传感器系统采用光时分复用(OTDM)技术,3个带有光纤微腔传感单元的光纤衰荡腔并联连接,共用一个光源和探测器,在3路光纤环中引入不同的相位调制项,使其输出的衰荡信号在时域上有效的分开,从而达到三参量传感的目的。传感器结构合理,可操作性强,后期数据处理工作简单易行,实验结果重复性良好。在此基础之上,可以将此传感器结构推广到四参量,甚至更多参量的传感器系统中。     

基于光纤干涉环的掺Yb3 全光纤自调Q激光器

对基于光纤干涉环的包层泵浦全光纤自调Q激光器进行了实验研究。实验采用掺Yb^3 双包层光纤(DCF)为增益介质，光纤Bragg光栅(FBG)作为腔镜，以及接入5m普通单模光纤的光纤干涉环，实现了较稳定的全光纤自调Q激光器，获得了脉宽3．6ns，重复频率约1kHz，峰值功率56．7kW的光脉冲。提出其产生ns脉冲的原因是瑞利散射(RS)与受激布里渊散射(SBS)的共同作用。     

受激布里渊散射光纤陀螺中光纤光源的阈值光功率研究

从非线性受激布里渊散射产生机理出发 ,研究了受激布里渊散射光纤陀螺 (SBS- FOG)中光纤光源的阈值光功率与光源谱宽及保偏光纤敏感环参数之间的函数关系 ,为进一步研究这种光纤光源的构造以及建立受激布里渊散射光纤陀螺系统打下了理论基础。     

Suppression of stimulated Brillouin scattering in high-power single-frequency multicore fiber amplifiers

To describe the interplay between the first-order Stokes, pump, and signal in the multicore fiber amplifier, a set of differential equations is presented. The model takes into account the dependence of the stimulated Brillouin scattering (SBS) on the pump-induced temperature distribution along the fiber. The influence of pump schemes, pump powers, convective coefficient, density of the rare earth dopant (N) and fiber length on suppression of the SBS is studied. The backward pump scheme has advantage over forward pump scheme in suppression of SBS. For the SBS gain spectrum, reducing convective coefficient can decrease the maximum SBS gain and increase the frequency detuning corresponding to the maximum SBS gain. Increasing N can lead to higher slope efficiency and shorter optimal fiber length, which can further suppress SBS. The SBS gain (G) and maximum operating temperature are compared between the single core fiber amplifier and multicore fiber amplifier with the same optimal fiber length. Compared to the single core fiber amplifier, the multicore fiber amplifier has lower maximum operating temperatures, which provide more space for further increasing output power.     

SBS—FOG中受激布里渊散射光偏振特性的理论分析

本文考虑了双折射效应对保偏光纤两个偏振主轴方向上受激布里渊散射（SBS）光增益的影响,利用Jones矩阵理论分析了受激布里渊散射光纤陀螺（SBS－FOG）敏感环中在保偏光纤熔接点进行角的偏振主轴旋转后受激布里渊散射光的偏振特性,得出当θ=90度时,在敏感环中的受激布里渊散射光不仅具有最大偏振度,而且还使其中的两个本征偏振态（ESOP）达到稳定的结论。θ     

An optical modulation method to suppress stimulated Brillouin scattering and the phase noise in a remote interferometric fiber sensing system

A novel optical modulation method for stimulated Brillouin scattering (SBS) and the phase noise suppression in a remote interferometric fiber sensing system is proposed. Compared to the conventional phase modulation method to suppress SBS with only one phase modulation signal, another phase modulation signal with π shift is applied at the output end of the fiber, which converts the generated multi-frequency light to single-frequency light. Therefore the method can suppress not only SBS but also the phase noise induced by linewidth broadening owing to the first phase modulation. As a result, the method can keep the system a low phase noise level with a higher input power, which overcomes the conventional drawback of linewidth broadening. The results show a good reference to the design of remote interferometric fiber sensing systems.     

单模光纤受激布里渊散射阈值分析与计算

受激布里渊散射是光纤一种非常重要的非线性效应,不同光纤的受激布里渊散射阊值不同。在光纤通信系统和光纤分布式布里渊传感系统中,受激布里渊散射阈值的研究非常必要。设计并搭建受激布里渊散射阈值测量系统,实验测量了普通通信光纤（G．652）、大有效面积的非零色散位移光纤（G．655）在常温时的受激布里渊散射阈值。通过阈值测量可知,G．655光纤阈值明显大于G．652光纤,所以无论对于光纤通信系统,还是自发布里渊传感系统,都应优选G．655光纤。     

一种利用双路相移布拉格光栅的快速微波频率测量方案

采用相移布拉格光栅设计了一种快速微波频率测量方案。通过在上下两支路配置具有不同陷波频率的相移布拉格光栅,再分别与激光源、相位调制器进行融合处理,利用光电探测器输出功率比与待测微波信号频率之间的映射关系建立幅度比较函数,进而实现微波频率测量。理论分析和仿真结果表明,通过调节激光源的载波频率,可改变微波频率的测量范围和测量精度;再结合大范围低精度频率测量和小范围高精度频率测量的两步测量法,可实现高精度的微波频率测量。该方案具有结构简单、测量精度高等优点。