一种利用布里渊散射的光纤应变传感新方法

根据光纤中的布里渊散射附加频移与光纤所受的拉伸应变有关的特性,推导了附加频移与应变间的线性关系。在此基础上提出了利用光外差原理探测附加频移,从而实现应变探测的传感新方案,并分析了该方案能降低对激光源的线宽及频率稳定度要求之原因,给出了实验系统及实验结果。     

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。     

布里渊散射光纤传感器的交叉敏感问题

基于布里渊散射的全分布式光纤传感器的布里渊频移同时受应变和温度的影响,无法由单一的布里渊频移解析应变或温度的信息,这种交叉敏感问题制约了传感器的实用化。介绍了目前解决交叉敏感问题的主要方法及工作原理。研究了大有效面积非零色散位移光纤(LEAF)的布里渊散射谱与应变和温度的关系,实验发现布里渊谱具有三个布里渊峰,三个峰的布里渊频移与应变和温度成线性关系,第一个峰和第三个峰的布里渊峰峰值功率的差值与温度无关,但与应变成线性关系。最后基于实验结果提出了一种解决交叉敏感问题的方案,获得了大约130με的应变测量精度和8℃的温度测量精度。     

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。      

结合布里渊光时域分析和光时域反射计的分布式光纤传感器

对于普通单模光纤的布里渊散射光,其频移是温度或应变的函数,因此通过检测布里渊频移可得到沿光纤分布的温度或应变。但布里渊散射分布式光纤传感器有光时域分析和光时域反射计两种结构,两者具有不同的性能特点和使用场合,在实际传感应用中需要加以选择,用以实现有效的长距离光纤传感。如何在一个系统中融合这两种分布式光纤传感技术,其关键是产生传感所需的频移参考光或探测光。采用光纤激光器作为单一光源,基于微波电光调制产生频移参考光或探测光,并应用正交偏振控制来抑制偏振相关信号衰弱。在同一系统中实现了25 km普通单模光纤的布里渊光时域分析和光反射计,在5 m空间分辨率下达到3℃的温度分辨率。     

基于光纤环形腔结构的布里渊频移器设计

为了达到布里渊光时域分析(BOTDA)系统双通道激光源的布里渊频移要求,设计了一个光纤布里渊频移器,放置在其探测脉冲通道,使探测光与另一通道的扫频光具有布里渊频移差(约11.2GHz)。通过分析频移器的输出光谱线宽窄化原理,利用光纤中激发的布里渊增益谱结合一定的环形腔结构形成窄线宽的布里渊斯托克斯光谱输出,且分析了环形腔频移器的受激布里渊散射阈值和光-光转换效率两个性能指标及其影响因素。采用1551nm窄线宽光源,对实际搭建的9km单模光纤布里渊频移器进行了实验验证,结果表明:频移器的受激布里渊散射阈值为2.3mW,布里渊频移对应的波长改变约为0.1nm,此时的定向耦合器耦合比为0.4,光-光转换效率为49%。所设计的光纤布里渊频移器能达到布里渊光时域分析系统光源的技术指标,降低了系统的复杂性和成本。     

光子晶体光纤中去极化声波导布里渊散射温度及应变响应

数值求解了光子晶体光纤中的去极化型声波导布里渊散射色散方程,研究了光子晶体光纤中的布里渊频移随泵浦波长及空气孔填充率的变化关系,以及去极化型声波导布里渊散射频移随温度、应变、声波导模式、纤芯直径及空气孔层数的关系。结果表明:布里渊频移随着波长的增大而线性减小。对于相同的波长点,增大光子晶体光纤空气孔填充率时,声波横向速度将会减小。去极化型声波导布里渊散射频移随温度及应变的增大而线性增加。同一温度条件下,高阶TR2m模式的去极化型声波导布里渊散射频移对温度的变化更为敏感;而在同一应变条件下,低阶TR2m模式的去极化型声波导布里渊散射频移对应变的变化更为敏感。去极化型声波导布里渊散射频移随纤芯直径的增加而增大,随空气孔层数的增加而减小。     

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.     

一个新型的基于全光纤Mach-Zehnder干涉仪BOTDR系统

报道了新型的分布式传感测量布里渊光时域反射(BOTDR)系统.布里渊散射频移和强度均依赖于温度和应变,因此,BOTDR利用光纤中的自发布里渊散射作为测量信号可以实现分布式温度和应变测量.在BOTDR中,光源采用窄谱半导体激光器,并由声光调制器调制成脉冲光,经掺铒光纤放大器放大后,注入测试光纤以产生自发布里渊散射.利用双通Mach-Zehnder干涉仪分离光纤背向散射中的自发布里渊散射与瑞利散射信号,实现了自发布里渊散射的直接检测.实验结果表明基于全光纤Mach-Zehnder干涉仪BOTDR方案是可行的.     

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.     

基于光谱线性频移的粮仓温度网络监测系统的研究

为了精确、稳定地获得粮仓内大范围的温度分布,设计了光纤布拉格光栅测温系统。利用光纤布拉格光栅所测温度与中心波长之间存在线性的关系,根据光谱线性频移函数获得仓内各位置的精确温度。其中每个光栅的工作波长相互分开,经3 dB的耦合器反射后,再用波长探测解调系统对多个光栅的线性频移进行测量,即可检测出仓内各处的温度。实验采用FBG封装的光纤、LPT-101型光源、放大处理电路等设备获得采集得到的温度信息。通过Origin软件画出了被测温度与波长频移的关系图,同时与传统的测量方法K型热电偶的测量数据进行比较。实验结果显示,光纤布拉格光栅测得温度与标准温度更接近,且抗干扰能力更强,满足粮仓内大范围温度监测的要求。     

环境温度宽范围变化对光纤布里渊频移的影响

搭建了光纤布里渊频移测量系统,实现了色散位移光纤20 ℃到820 ℃布里渊频移的测量,并对测量数据进行拟合. 在环境温度大范围变化时,目前采用的布里渊频移-温度一阶线性关系式对测量数据分析误差较大,针对这个问题,本文从纯石英光纤的结构特点和材料的物性系数出发,在分析光纤的热膨胀系数、光纤密度、折射率、弹性模量和泊松比与宽范围温度关系的基础上,根据布里渊频移与各物性参数的关系式理论推导了宽范围温度变化与布里渊频移之间的二次项关系式. 理论推导结果与实验数据基本符合,验证了理论分析的正确性,从而为光纤宽范围布 关键词： 光纤 高温传感 布里渊散射 布里渊频移     

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。     

面向地壳形变观测的超高分辨率光纤应变传感系统

高分辨率光纤应变传感系统是地球物理学中地壳微弱形变观测的有力工具.相比于传统的地壳应变观测技术,光纤应变传感器具有测量分辨率高、抗干扰能力强、尺寸小、可复用、易于安装布设等特性,在建立新型地壳形变监测网络中具有很大的应用潜力.本文围绕面向地壳形变观测的纳应变级分辨率光纤应变传感器技术,阐述了应变传感原理与实现超高测量分辨率的机理,并详细介绍了扫频探测、Pound-Drever-Hall解调技术、边带探测、双回路锁定传感、传感器时分复用等技术及相应的传感器系统实现方案,最后,给出了超高分辨率光纤传感器在现场观测的实验结果与分析.     

啁啾调幅相干探测激光雷达关键技术研究

使用窄线宽半导体激光器、声光移频器、马赫-曾德尔幅度调制器以及全光纤相干光路,构建了一套基于平衡相干探测与啁啾调幅的激光测距实验系统。介绍了啁啾调幅相干激光雷达的工作原理,完成了基于直接数字合成(DDS)技术的啁啾信号生成及射频信号处理电路的设计。对实验系统的时间分辨力与最小可探测功率进行了测试,对实验出现的一些现象进行了分析。     

基于级联型光纤的孤子自频移增强特性

设计了一种10m掺铥光纤级联于3m大模场光子晶体光纤末端的结构,利用400fs、1 550nm脉冲光产生孤子自频移,在入射光功率相同的情况下,掺铥光纤末端的孤子频移量比大模场光纤末端多100~150nm,平均多30%左右.孤子与泵浦光在掺铥光纤末端的输出光谱表明,残留泵浦光作用于Tm3+,在1.8~2.1μm范围产生受激辐射,从而增强了拉曼效应,导致孤子自频移增强.实验结果揭示了一种增强孤子自频移效应的方法,对于了解孤子在光纤中频移特性和提高基于孤子自频移的可调谐光源的调谐范围等具有参考意义.     

拉曼放大布里渊光时域分析系统非局域效应

应用包含探测光、布里渊泵浦光及拉曼泵浦光相互作用理论模型,数值分析了基于拉曼放大的长距离布里渊光时域分析仪非局域化特性。结果表明:非局域化随探测光及拉曼泵浦功率增加而恶化;通过频分复用(将具有不同布里渊频移的光纤拼接)及时分复用技术(同时对布里渊泵浦及探测光进行脉冲调制),可有效缩短布里渊泵浦与探测光的作用距离,达到较理想的抑制非局域效应结果。     

Non-local effect in Brillouin optical time-domain analyzer based on Raman amplification

应用包含探测光、布里渊泵浦光及拉曼泵浦光相互作用理论模型,数值分析了基于拉曼放大的长距离布里渊光时域分析仪非局域化特性.结果表明:非局域化随探测光及拉曼泵滴功率增加而恶化;通过频分复用(将具有不同布里渊频移的光纤拼接)及时分复用技术(同时对布里渊泵浦及探测光进行脉冲调制),可有效缩短布里渊泵浦与探测光的作用距离,达到较理想的抑制非局域效应结果.     

光纤喇曼增益系数的简捷测量

基于小信号开关增益原理,采用抽运光-探测波法,利用SLD(超辐射激光二极管)作为宽带小信号探测光源,快速测量出了标准单模光纤(G.652)的频移为0.5～20 THz内的喇曼增益系数,测量结果和文献中已有的值基本吻合,所测得的光纤喇曼增益系数可用于光纤喇曼放大器的理论和实验研究,该方法同样可以对其他类型光纤的喇曼增益系数进行测量.