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.     

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。     

Performance improvement of a self-heterodyne detection BOTDR system employing broad-band laser

The self-heterodyne detection Brillouin optical time domain reflectometer (BOTDR) system using broad-band laser is proposed to reduce coherent Rayleigh noise and improve the system performance. Compared with the system with narrow-band laser, the stimulated Brillouin scattering (SBS) threshold can be improved by about 3 dB. The experimental results of the narrow-band laser measurements for three times independently and the broad-band laser measurement for one time are compared. The root-mean-square (RMS) errors of Brillouin linewidth for two systems with narrow-band laser and broad-band laser are 6.9 MHz and 2.7 MHz, respectively, and the RMS errors of temperature for the heated fiber are about 1.3 °C and 0.7 °C. With the broad-band laser, signal-to-noise ratio (SNR) of the unheated fiber is approximately equivalent to that of the integrated three independent Brillouin signals for the narrowband laser, and the results are believed to be beneficial for performance improvement and measurement time reduction.     

波长扫描型布里渊光时域反射仪

布里渊光时域反射仪(BOTDR)是一种具有广泛应用前景的分布式光纤传感器。对于特定的入射波长,自发布里渊散射光的布里渊频移与温度和应变成线性关系,通过测量光纤沿线布里渊频移分布可实现温度或应变的分布式传感。布里渊功率谱扫描是BOTDR获取布里渊频移的常用手段,已有光频差扫描与电频扫描两种方式。基于布里渊频移对波长的依赖性,提出一种波长扫描型BOTDR。采用可调谐激光器作为光源,通过扫描入射光波长,来获取布里渊功率谱,该方法兼具光频差扫描与电频扫描的优点。实验证明了该方法的可行性,对23.4km光纤进行测量,实现了5m的空间分辨率与2.2℃的温度测量精度。     

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...     

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。     

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.     

Influence of laser wavelength instability, polarization fading and phase fluctuation on local heterodyne detection wavelength scanning BOTDR

In this paper, the influence of laser wavelength instability, polarization fading and phase fluctuation on local heterodyne detection wavelength scanning Brillouin optical time domain reflectometer (WS-BOTDR) is theoretically analyzed, and a local heterodyne detection WS-BOTDR system is built for experimental verification. The experimental results show that with the increase of sensing distance, the adverse effect of laser wavelength instability, polarization fading and phase fluctuation on local heterodyne detection WS-BOTDR is gradually aggravated, which will lead to the broadening and distortion of the wavelength power spectrum (WPS), resulting in large errors in demodulated Brillouin central wavelength (BCW) and temperature. The average temperature measurement errors at the positions of 1 km, 5 km, 9 km non-heating section and 9.45 km heating section are 1.76 °C, 3.42 °C, 3.89° C and 4.3 °C, respectively.     

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。     

Performance Analysis of Temperature and Strain Simultaneous Measurement System Based on Heterodyne Detection of Brillouin Scattering

Microwave heterodyne detection can be used to measure the temperature and strain distribution along a fiber with high accuracy in a Brillouin optical time domain reflectometry （BOTDR） system. This method involves simultaneous measurement of Brillouin scattering and Rayleigh scattering in fiber, and scanning of Brillouin spectrum to obtain the desired information. This paper presents a simultaneous measurement system of temperature and strain based on microwave detection and analyzed the system performances such as measurement accuracy, dynamic range, and spatial resolution theoretically. The analysis shows that the system can achieve a temperature resolution of 1°C and a strain resolution of 100 μs.     

高空间分辨率分布式光纤传感技术的研究进展

对三种基于布里渊散射的高空间分辨率分布式光纤传感技术,即布里渊光纤时域分析暗光脉冲技术、布里渊光相关域分析及布里渊光频域分析技术,进行了详细阐述.分析了每种技术的工作原理,对每种技术所采用的实验系统配置、所能达到的空间分辨率进行了介绍,并对其存在的局限性进行了说明.     

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。     

布里渊光相干域分析技术研究进展

布里渊光相干域分析(BOCDA)技术可以实现长传感距离、高空间分辨率和高速的分布式温度或应变传感,在大型结构健康监测、现代工业等领域具有广阔的应用前景。分别综述了正弦频率调制型BOCDA、相位调制型BOCDA和宽带光源型BOCDA近年来的研究进展,其中宽带光源型BOCDA包括基于放大自发辐射的BOCDA和本课题组提出的混沌激光BOCDA。对比了这些技术的优缺点,分析了BOCDA系统的性能,并对BOCDA技术的发展前景进行了展望。     

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。     

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。     

瑞利BOTDA系统的2维提升小波降噪方法

为了解决基于瑞利散射的布里渊光时域分析系统（BOTDA）中传感信号受噪声干扰严重的问题,采用2维提升小波变换算法,将测量信号从1维空间转换到2维空间,进行阈值降噪处理。通过理论分析和实验验证,取得了传统小波与2维提升小波降噪数据。结果表明,2维提升小波变换比传统小波变换信噪比提高约10dB,运算量减少了1/3;2维提升小波充分利用测量信号时间上的相关性,变换结构简单、运算速度快、降噪效果优于传统小波,适用于瑞利BOTDA系统降噪。该结果对光纤传感系统中信号降噪的研究有一定参考价值。     

双倍布里渊频移的多波长掺铒光纤温度传感器

为了实现高灵敏度的光纤温度传感,提出并验证了一种具有双倍布里渊频移间隔的多波长掺铒光纤温度传感器.实验采用1558.214 nm波长的激光输出作为布里渊泵浦,经掺铒光纤放大器放大后再通过由2个三端口环形器和1段20 km的单模光纤构成的双倍频布里渊增益腔,其中单模光纤既是布里渊增益介质又是温度传感元.实验结果表明:在产...     

基于相位敏感光时域反射计的长距离入侵探测系统

根据受激布里渊散射(SBS)对相位敏感光时域反射计(-OTDR)的监测距离的限制,分析了在使用不同灵敏度的光电探测器时-OTDR系统的监测距离,并根据SBS阈值随着光纤长度的增加而下降的特点,提出了一种新的光路结构以提升系统的监测距离。该光路结构采用环行器将敏感光纤分为多个部分,并对各部分的后向瑞利散射光分别进行探测,避免了各部分光纤产生的斯托克斯光相互叠加,从而提高了SBS阈值,进而实现了提升系统监测距离的目的。在实验室测试中,使用3个环行器将敏感光纤分为了3个部分并实现了66.92 km的监测距离。通过增加环行器的数量,系统的监测距离可以进一步提高。     

采用APD检测的编码瑞利BOTDA系统性能

瑞利布里渊光时域分析系统具有单光源、单端工作、非破坏的优点,为了解决系统信噪比与空间分辨率之间的矛盾,将编码技术应用到瑞利布里渊光时域分析系统中,可以在保持空间分辨率不变的前提下提高系统信噪比。提出了基于雪崩光电二极管检测和Simplex编码的瑞利布里渊光时域分析系统,系统中的随机散粒噪声功率和信号功率有关,而热噪声功率主要取决于雪崩光电二极管光电检测器的性能、与信号功率无关。由系统中与两种噪声相关的电流波动的方差和Simplex码的编解码规则可得编码系统的均方误差,由此推导了系统信噪比和编码增益公式。随着编码长度的增加,编码增益会逐渐增大并在某一编码长度后趋于稳定,因此系统存在最佳编码长度,最终推导了最佳编码长度公式,并对信噪比和最佳编码长度进行了MATLAB仿真。仿真结果表明,在基于Simplex码的瑞利布里渊光时域分析系统中,当脉冲基底1阶边带产生的瑞利散射光功率为0.5 mW时,随编码长度的增加,编码增益逐渐增大并趋于稳定值6.69 dB,系统的最佳编码长度为63 bit。     

布里渊散射谱图像的边缘特征提取方法

为有效提取布里渊分布式光纤传感系统的布里渊频移,减少数据处理时间,提出一种基于二阶Laplacian边缘检测算子的布里渊散射光谱图像边缘特征提取方法.将布里渊频移视为散射谱图像边缘,利用二阶Laplacian边缘检测算子对布里渊散射光谱图像进行锐化处理;通过非极大值抑制和自适应阈值去除无效边缘获得二值图像,并搭建布里渊...