全光纤Mach-Zehnder干涉仪及其在光纤自发布里渊散射测量中的应用

从理论上分析了全光纤Mach-Zehnder干涉仪的分光原理,并将所研制的全光纤单通Mach-Zehnder干涉仪和双通Mach-Zehnder干涉仪应用于自发布里渊散射光谱的测量,实现了色散位移光纤中自发布里渊散射与瑞利散射的有效分离.     

分布式光纤布里渊散射温度传感实验系统

提出一种基于布里渊光时域反射计法的分布式光纤布里渊散射温度传感系统.光源采用窄谱半导体激光器.声光调制器将光源调制成窄脉冲,并由高增益光纤放大器放大,产生高功率光脉冲信号,提高了自发布里渊散射信号的强度.采用双通马赫-曾德干涉仪将布里渊散射从瑞利散射中分离出来,在一段4.25 km长的光纤上进行分布式温度传感的实验研究.双通马赫-曾德干涉仪对瑞利散射进行了很好的抑制,得到了比较纯净的随温度变化的布里渊散射信号.     

基于光相干外差检测的布里渊散射DOFS的研究

对布里渊散射分布式光纤传感器(DOFS)检测原理进行了分析, 针对布里渊散射光信号的特点, 应用光相干和外差技术来检测布里渊散射光信号. 具体采用微波电光调制产生频率可调的参考光, 和布里渊散射光进行相干检测, 根据布里渊频移特性取出布里渊散射光信号, 从而得到分布式传感信号. 分别实现了25 km光纤的分布式温度和应变传感, 达到3℃的温度分辨率、100 με的应变分辨率和10 m的空间分辨率.     

基于自发布里渊散射的双路分布式光纤传感器设计与实现

利用光纤中的布里渊散射光频移与温度和应变呈线性关系的原理,提出了一种基于自发布里渊散射的双支路分布式光纤传感系统。该系统利用不同种类光纤的布里渊频移差别,同时对两条线路的应力和温度进行监测,实现对被测对象多方位的同时测量,缩短了探测时间,提高了工作效率。本文实现了两路光纤的同时监测,用6 km的光纤作为传感介质,获得了4 m的空间分辨率。得到的实验结果表明,提出的系统能准确判断40 ns脉冲光在两路传感光纤沿线产生的自发布里渊背向散射光谱的中心频率变化。      

提高布里渊光时域反射应变仪测量空间分辨力的等效脉冲光拟合法

由于探测光脉冲宽度受到限制,布里渊光时域反射仪(BOTDR)在对光纤上的应变进行分布式测量时,空间分辨力只能达到1 m。针对布里渊光时域反射仪单次采样接收背向布里渊散射信号(BBS)需要一定的时间,提出了基于等效脉冲光的多洛仑兹拟合法以提高其应变测量的空间分辨力。该方法将探测光脉冲在布里渊光时域反射仪完成单次采样所需的时间上进行积分,将积分函数作为等效脉冲光的表达式,再根据等效脉冲光的形状将布里渊光时域反射仪接收到的背向布里渊散射谱(BBS)细分,并对它进行多洛仑兹迭代拟合,准确求得每个细分布里渊散射谱的中心频率,进而利用光纤中布里渊频移与应变的对应关系,得到光纤中与细分布里渊散射谱对应的细分光纤单元上的应变情况。实验结果表明,利用这种方法,可使布里渊光时域反射仪应变测量的空间分辨力提高至0.05 m。     

普通单模光纤的长距离双参量传感布里渊光时域反射计

对于普通单模光纤的自发布里渊散射光,其频移和光功率都是温度和应变的函数,因此检测散射光信号的布里渊频移和光功率,即可同时得到沿光纤一维分布的温度和应变。采用光相干检测的布里渊光时域反射计适合于长距离分布式传感,但存在检测信号的偏振相关性和幅度解调问题。采用偏振分集接收和小波分析对传感信号进行处理,同时得到了布里渊散射光的频移和功率,从而实现了25 km普通单模光纤的分布式双参量传感。     

基于TTDF和CNS算法的多路BOTDR散射谱信息高精度分析研究

传统的BOTDR光纤传感系统采用单路传感光纤实现对信息特征的测量,交叉敏感等不可控因素会使散射谱拟合精度较低,信息分析偏差较大。设计了一种同时对多路传感信息进行检测的BOTDR系统。针对基于布里渊光时域反射(BOTDR) 的多路传感散射谱高精度特征提取的要求,提出了一种三次数据融合(TTDF)与布谷鸟牛顿搜索(CNS)相结合的散射谱信息分析方法。该方法利用TTDF对信息数据的融合能力,根据狄克逊准则和格拉布斯准则,剔除了异常值的影响,减小了传感信号的误差;采用布谷鸟牛顿搜索算法进行频谱拟合,不仅通过布谷鸟的智能搜索能力得到全局最优解,而且以该最优解作为牛顿算法的初值进行局部寻优,保证了频谱拟合的精度,提高了布里渊散射谱信息分析的准确度。在温度信息散射谱线性权重比为1∶9的情况下,分析了不同线宽散射谱信息的提取。采用该方法进行多路数据融合的方差约为0.003 0,散射谱的中心频率约为11.213 GHz,温度误差小于0.15 K。理论分析和仿真结果表明,将此方法用于基于布里渊光时域反射的多路分布式光纤传感系统,可有效提高多路传感信号的准确度和布里渊散射谱信息分析的精确度。     

基于微波电光调制的布里渊光时域分析传感器

针对布里渊光时域分析分布式传感原理和受激布里渊散射的特点,应用微波电光调制分布反馈式半导体激光器产生频移可调的探测光,和传感光纤中相反方向传输的脉冲激励光进行受激布里渊散射作用,当探测光和激励光的频率差在布里渊频移附近时,频移探测光和激励光产生受激布里渊散射,通过改变探测光的频移值,检测探测光功率信号,可得到沿光纤各处的布里渊频移,再利用布里渊频移和应变（或温度）的关系,计算得到沿光纤分布的传感量。设计了基于微波电光调制的布里渊光时域分析传感器实验系统,实现了25km的分布式温度传感,达到5m的空间分辨力和3℃的温度分辨力。     

分布式传感光纤应变和温度同时标定方法

为了实现分布式传感光纤应变和温度响应系数的快速准确标定,提出了应变和温度同时标定法.利用恒温装置控制传感光纤和金属管的温度,利用金属管的线性热膨胀对缠绕其上的分布式传感光纤施加应变,通过恒温装置中的松弛传感光纤补偿金属管上传感光纤的温度,共同实现应变和温度的同时、快速、准确标定.利用恒温水浴和不锈钢管进行了单模裸纤布里渊频移应变和温度响应系数的标定实验,应变标定跨度620με,温度标定范围35~75℃,得到单模裸纤布里渊频移的应变和温度响应系数分别为0.048 MHz/με和1.06 MHz/℃.结果表明该方法可用于小直径分布式传感光纤的应变和温度同时标定.     

布里渊动态光栅原理及其在光纤传感中的应用

自从2007年布里渊动态光栅被首次提出用于实现光存储以来,该技术得到了国际上的广泛关注和研究.布里渊动态光栅本质上是由相干声波场激发的折射率光栅,一般情况下两束抽运光(频率差等于光纤的布里渊频移)以相同的偏振态从光纤两端注入到光纤中,通过受激布里渊散射效应激发出相干声波场,即形成布里渊动态光栅.光纤布里渊动态光栅因具有全光产生、参数灵活可控的优点,已被广泛研究应用于光纤传感、光纤特性表征、光存储、全光信号处理、微波光子学和高精度光谱分析等.本文分析布里渊动态光栅产生和探测原理,重点探讨在高性能分布式光纤传感上的应用,这些应用包括高灵敏度温度和应变分布式传感、温度和应变同时解调、分布式横向压力传感、分布式静压力(气压或液压)传感、高空间分辨率分布式传感和高精度光谱分析.     

Determination of thermal residual strain in cabled optical fiber with high spatial resolution by Brillouin optical time-domain reflectometry

The thermal residual strain induced in the cabled optical fiber is a very important factor for evaluating the reliability of optical fiber cables. In order to determine the distributed thermal residual strain in cabled optical fiber, a measurement method based on Brillouin optical time-domain reflectometry (BOTDR) system is proposed in the article. Thermal characteristics of residual strain along cabled optical fibers are investigated theoretically and experimentally based on Brillouin frequency shift (BFS) detection. The thermal residual strain along the cabled fiber, if any, can be determined with a high spatial resolution that is equal to that of the BOTDR system and can be less than a few meters. A double-coated fiber in loose optical cable was used as the test cabled optical fiber, and the experimental results were in good agreement with those predicted from the theory. It has been found that the fiber residual strain increases linearly with decreasing temperature in the range from 50 to ?50 °C.     

基于宽带光源和自外差检测的布里渊光时域反射温度传感系统

为简化系统结构、减小相干瑞利噪声对系统性能的影响,提出了一种采用宽带光源的瑞利和布里渊散射自外差检测布里渊光时域反射温度传感系统.分析了瑞利和布里渊自外差检测原理,研究了布里渊频移和自外差信号功率与光纤温度和应变的关系.设计并搭建采用宽带光源的自外差检测布里渊光时域反射温度传感系统,获得了常温下沿光纤分布的自外差信号功率谱及不同温度时加温段光纤的功率谱,验证了布里渊频移和自外差信号相对功率变化随温度的线性增加关系.通过实验数据获得的布里渊频移和相对功率变化的温度系数分别为1.07±0.01MHz/℃和(0.37±0.09)%/℃.本文的研究结果为基于瑞利和布里渊自外差检测布里渊光时域反射传感系统的温度和应变同时测量提供了理论和实验依据.     

Influence of laser linewidth on performance of Brillouin optical time domain reflectometry

The effects of optical sources with different laser linewidths on Brillouin optical time domain reflectometry (BOTDR) are investigated numerically and experimentally. Simulation results show that the spectral linewidth of spontaneous Brillouin scattering remains almost constant when the laser linewidth is less than 1 MHz at the same pulse width; otherwise, it increases sharply. A comparison between a fiber laser (FL) with 4-kHz linewidth at 3 dB and a distributed feedback (DFB) laser with 3-MHz linewidth is made experimentally. When a constant laser power is launched into the sensing fiber, the fitting linewidths of the beat signals (backscattered Brillouin light and local oscillator (LO)) is about 5 MHz wider for the DFB laser than for the FL and the intensity of the beat signal is about a half. Furthermore, the frequency fluctuation in the long sensing fiber is lower for the FL source, yielding about 2 MHz less than that of the DFB laser, indicating higher temperature/strain resolution. The experimental results are in good agreement with the numerical simulations.     

Optical coherent detection Brillouin distributed optical fiber sensor based on orthogonal polarization diversity reception

In Brillouin distributed optical fiber sensor, using optical coherent detection to detect Brillouin scattering optical signal is a good method, but there exists the polarization correlated detection problem. A novel detecting scheme is presented and demonstrated experimentally, which adopts orthogonal polarization diversity reception to resolve the polarization correlated detection problem. A laser is used as pump and reference light sources, a microwave electric-optical modulator (EOM) is adopted to produce frequency shift reference light, a polarization controller is used to control the polarization of the reference light which is changed into two orthogonal polarization for two adjacent acquisition periods. The Brillouin scattering light is coherently detected with the reference light, and the Brillouin scattering optical signal is taken out based on Brillouin frequency shift. After electronic processing, better Brillouin distributed sensing signal is obtained. A 25-km Brillouin distributed optical fiber sensor is achieved.     

希尔伯特变换处理的布里渊散射DOFS的研究

光时域反射结构的布里渊散射分布式光纤传感器所检测的自发布里渊散射光信号非常微弱,且频带宽度在几十兆赫以上,难以应用普通相干解调方法,提出了基于希尔伯特变换的光相干检测方法,具体采用微波电光调制产生频移参考光和自发布里渊散射光进行相干检测得到光电信号,再应用基于希尔伯特变换的数字信号处理技术对光电信号进行幅度解调,得到了信噪比改善的布里渊散射光谱,从而有利于提高传感器的检测性能,     

基于经典小波变换的布里渊光时域反射计光信号处理

布里渊光时域反射计结构的布里渊散射分布式光纤传感器检测的是自发散射光,信号非常微弱,而且频带在几十兆赫兹以上,难以应用普通相干解调方法。针对传感散射光信号特点,提出基于经典(Morlet)小波变换的光相干检测方法。首先采用微波电光调制产生频移参考光和自发布里渊散射光进行相干检测,再应用经典小波变换进行散射光信号的幅度解调,得到信噪比改善的布里渊散射传感光信号。给出了数值模拟和实验数据处理结果,表明经典小波变换能较好地处理布里渊光时域反射计检测信号。并和基于希尔伯特(Hilbert)变换的传感信号处理方法进行了对比,发现此方法优于基于希尔伯特变换的信号处理。