受激布里渊相移功率依赖性理论与实验研究

建模并仿真了受激布里渊散射损耗相移谱的宽范围功率依赖特性;设计了基于外差抽运-斯托克斯技术的受激布里渊损耗相移谱测量系统,在抽运光功率5μW~15mW和斯托克斯光功率3.5~110mW范围内测量了400m标准单模光纤的受激布里渊损耗相移谱;分析了实测受激布里渊损耗相移谱产生中心不对称性的机理。结果表明,受激布里渊损耗相移范围与斯托克斯光功率呈良好线性关系,基本不受抽运光功率影响;实测受激布里渊损耗相移谱中心不对称性主要由光纤色散以及非线性折射率引起的非线性效应共同作用产生。根据理论和实验结果,分析了受激布里渊散射相移谱功率依赖性在微波光子信号处理和分布式光纤传感中的应用,为基于受激布里渊散射相移原理的应用系统设计提供理论依据。     

混沌光在光纤中的布里渊散射光特性

分析了混沌光注入功率和单模光纤长度对布里渊散射斯托克斯光线宽的影响,发现随着注入混沌光功率的增大,斯托克斯光线宽逐渐减小;当注入的混沌光功率达到一定值时,斯托克斯光线宽几乎不变。分析了注入混沌光功率和单模光纤长度对后向散射功率的影响,发现当注入混沌光功率一定时,后向散射功率随着光纤长度的增加而迅速增大,当光纤长度超过15.41 km时,后向散射功率趋于饱和。讨论了混沌受激布里渊散射光阈值的影响因素,结果表明,混沌受激布里渊散射光阈值很高,比传统的连续光注入光纤产生的受激布里渊散射阈值高约19 d B。     

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.     

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。     

一种新的光纤布里渊传感散射谱拟合方法

讨论了应用于光纤分布式布里渊传感散射谱最优化拟合的Levenberg-Marquardt(L-M)非线性最小二乘算法。分析并推导了一种可较好地反映入纤脉冲宽度越来越窄所引起的光纤分布式布里渊传感散射谱形状变化的Pseu-do-Voigt分析拟合模型。由调制脉冲光和调制器泄漏连续光共同作用所产生的光纤分布式布里渊传感散射谱应为Lorentzian型谱和Gaussian型谱的线性权重组合。Gaussian型函数部分可视为Lorentzian型函数谱的近似修正处理。基于L-M算法对光纤布里渊传感散射谱采样数据进行了曲线拟合和最优化参数估计,所得到的结果与理论分析情况吻合。     

一种基于暗脉冲光布里渊时域分析仪的延长传感距离的方法

基于暗脉冲的布里渊时域分析仪系统中泵浦光和探测光的功率较高,相互作用强烈,严重限制了系统的有效传感距离。而现有的系统众多采用利用多段具有不同布里渊散射频率的光纤相互连接延长传感距离的方法,降低每段光纤上的受激布里渊散射效应,延长有效传感距离,但这种方案会增加的系统的复杂度,影响实际应用.本文提出一种简单的暗脉冲光布里渊时域分析仪的结构,可在满足高空间分辨率的条件下,有效的延长系统的传感距离,取代通常的利用多段具有不同布里渊散射频率的光纤相互连接延长传感距离的方法.利用基于光抑制载波的技术,产生具有两个边带的斯托克斯光.斯托克斯光的两个边带和泵浦光相互作用,同时激发布里渊散射增益和衰减效应,在接收端利用两者接收信号的差,可抵消原有暗脉冲泵浦信号中准连续光对传感距离的影响,从而有效地延长系统的传感距离,并利用数值仿真的方法验证了此方法的有效性.     

光脉冲编码对基于拉曼放大的布里渊光时域分析系统的影响

报道了光脉冲编码对基于拉曼放大的布里渊光时域分析系统(BOTDA)的影响. 实验表明,光脉冲编码能够在保证较高空间分辨率的同时减小布里渊频移的不确定性. 实验实现了49.6 km传感距离, 在整段传感光纤上温度分辨率1 ℃,空间分辨率2.5 m. 本文实验测量并分析了系统的信噪比和光功率分布特性. 关键词： 分布式光纤传感 受激拉曼散射 布里渊增益 布里渊光时域分析系统(BOTDA)     

瑞利布里渊光时域分析系统传感性能的提升方法

将多波长激光光源技术引入瑞利布里渊光时域分析系统,其中抑制载波的微波调制多波长脉冲基底1阶边带会在传感光纤中产生多波长背向瑞利散射;将该散射光作为探测光与多波长传感脉冲发生受激布里渊散射(SBS)作用,可有效地提高光纤SBS阈值和SBS作用效率,进而提高系统信噪比和布里渊频移的测量精度。分析了相位调制器产生多波长激光光源的原理以及利用电光强度调制器产生作为探测光的多波长斯托克斯和反斯托克斯激励光的原理,建模分析了多波长瑞利布里渊光时域分析系统原理,给出了系统信噪比与波长数关系的表达式;搭建了单波长和三波长光纤SBS阈值测量系统及瑞利布里渊光时域分析系统,测量了光纤的SBS阈值和系统性能。实验结果表明,当单波长与三波长瑞利布里渊光时域分析系统的传感脉冲宽度为100ns,峰值功率为100mW,单个波长的脉冲基底功率约为1.3mW,传感光纤长度为2.4km时,三波长较单波长系统的光纤SBS阈值和信噪比分别提高了3倍和2.83倍,在2km光纤内布里渊频移波动由33.4 MHz降至15.6 MHz。     

基于喇曼散射的分布式光纤温度传感器的温度修正

结合基于喇曼散射的分布式光纤温度传感器的基本原理及温度解调过程,研究和分析了温度测量产生误差的主要原因.采用拟合修正的方法来解决斯托克斯光和反斯托克斯光传输损耗差异以及光纤弯曲、应力等附加损耗对系统的影响;采集光纤起始端同一位置3个不同温度的信号值求解非线性方程组,实现了对探测器暗电流引起的测量误差的修正.实验结果表明:经过修正的传感器在900m位置的温度测量误差平均值从8.0℃降到0.37℃,整条光纤的温度测量误差平均值≤±0.6℃.     

斯托克斯脉冲波形对光纤中受激布里渊散射慢光的影响

为了提高受激布里渊散射慢光的延时和抑制脉冲展宽,通过四阶Runge-Kutta法和特征线法对基于光纤的受激布里渊散射耦合方程组进行数值求解,计算了斯托克斯脉冲边沿陡峭程度、功率,宽度对延迟时间以及脉冲展宽因子的影响,提出了在低频范围内适当提高斯托克斯脉冲的边沿陡峭程度,可以优化延时和脉冲展宽因子的方法.该方法可以获得与...     

光纤移频分布式布里渊光纤传感技术

提出了一种利用布里渊光纤环形腔移频技术实现分布式光纤布里渊传感的方法.该方法基于布里渊光时域分析法原理,将一束单纵模运转激光器输出的激光分为两束|一束光入射布里渊光纤环形腔中产生窄线宽的受激布里渊散射光作为斯托克斯光,另一束光经过低频相位调制后作为泵浦光|斯托克斯光和泵浦光分别相向入射进入传感光纤,通过测量布里渊谱得到光纤温度或应变.利用该方法可将十几GHz的微波频率转化为兆赫信号频率进行探测处理,仅需一台激光器,因此系统结构简单、成本低,还可减小激光器频率波动对测量准确度的影响.实验验证了该方法的可行性.     

光纤移频分布式布里渊光纤传感技术

提出了一种利用布里渊光纤环形腔移频技术实现分布式光纤布里渊传感的方法.该方法基于布里渊光时域分析法原理,将一束单纵模运转激光器输出的激光分为两束;一束光入射布里渊光纤环形腔中产生窄线宽的受激布里渊散射光作为斯托克斯光,另一束光经过低频相位调制后作为泵浦光;斯托克斯光和泵浦光分别相向入射进入传感光纤,通过测量布里渊谱得到...     

基于累加平均的分布式光纤拉曼测温系统

分布式光纤拉曼温度传感(DTS)系统是一套基于光纤中的拉曼散射效应来实现分布式温度监控的系统,利用光纤中拉曼散射光的强度与光纤的温度状态有关的原理对温度进行实时监测。设计了一套9 km的光纤拉曼测温系统,利用数据采集卡对斯托克斯和反斯托克斯光进行采集,在电脑端对温度进行累加平均处理,将微弱的信号从系统的噪声中提取出来,提高其信噪比。在累加平均16 000次的情况下测温精度达到了±2℃。     

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.     

An approximate analytic solution of the steady state Brillouin scattering in single mode optical fiber without neglecting the attenuation coefficient

The analysis of steady state Brillouin scattering in a long single mode optical fiber is presented. Meanwhile, an approximate analytical functions of distributed Brillouin scattering and pump wave along the fiber with the fiber attenuation coefficient are obtained for the first time. A comparison is made among the analytical solutions with the attenuation coefficient, the analytical solutions without the attenuation coefficient and the exact numerical solutions. The results show that the analytical solutions with fiber attenuation coefficient are more close to the numerical solutions, which can be used to describe the power distribution of the pump wave and the Stokes wave along the long distance single mode optical fiber accurately.     

基于拟合衰减差自补偿的分布式光纤温度传感器

针对斯托克斯光和反斯托克斯光的本质损耗、附加损耗使分布式光纤温度传感器产生测温误差的问题,通过对分布式光纤温度传感器的温度解调原理的研究,提出了拟合斯托克斯光与反斯托克斯光之间衰减差的方法实现温度自补偿,以此减小测温误差.以传感光纤上不同位置的两部分作为参考段和测温段,参考段的光信号作为测温段拟合多阶衰减差和解调温度的参量,通过引入多阶拟合结果解调温度,减小因斯托克斯光和反斯托克斯光的本质损耗、附加损耗导致的温度误差,实现温度的初步修正.改变光纤上同一位置的温度,取3组不同温度值及对应信号值计算引入拟合衰减差前后的瑞利噪声,分析了瑞利噪声与光纤长度和温度的关系,通过引入拟合衰减差消除瑞利噪声,减小了斯托克斯光和反斯托克斯光的本质损耗、附加损耗导致的瑞利噪声误差,实现温度的再次修正.分析比较多阶衰减差拟合结果对测温误差以及消除瑞利噪声的影响,获得最优拟合阶次.在拟合因参考段的附加损耗而导致的测温段的附加误差后,通过拟合结果进行温度补偿,完成了最终温度修正.实验结果表明,在30-90℃,引入一阶线性拟合结果的温度修正效果最好,经过三次修正后,测温误差从10.50℃降低至0.90℃.     

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.     

光隔离器法抑制Michelson干涉型光纤水听器中的SBS

光纤水听器是利用光的干涉信号进行探测的,但随着入射光功率的增加,易发生受激布里渊散射（stimulated Brillouin scattering,SBS）效应,并因而产生噪声,限制入射光功率的增加,极大地影响探测信号。为了抑制SBS效应,提高光纤水听器性能,以Michelson型光纤水听器为例,从实验和理论上研究了SBS及其阈值特性。根据阈值公式分析了提高阈值的方法,着重讨论了光隔离器法对SBS的抑制。最后利用时域有限差分方法对光纤内的入射光、Stokes光和声波的时空分布进行了分析。只要给出初始条件及光纤参数即可得出光纤内各波的时空分布。通过开展抑制此效应的研究,不仅为可调谐相干光的产生提供一个新途径,而且可作为一种有效手段来研究各种光纤系统中的散射特性。     

长距离光纤布里渊散射研究

研究了25 km长距离光纤中布里渊散射的功率分布,提出了求解长距离光纤中布里渊散射的耦合强度方程的数值计算方法,与忽略光纤损耗的解析解进行比较,并从实验上加以研究.在此基础上,分析了25 km长距离光纤中布里渊散射过程,得到泵浦波和斯托克斯波沿光纤的功率分布图.