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。     

光子晶体光纤的布里渊增益谱特性

研究内全反射型光子晶体光纤(TIR-PCF)的结构参数对光纤布里渊增益、布里渊峰的个数以及相对峰值强度等布里渊增益谱(BGS)特性的影响。分析全反射型光子晶体光纤中的声光耦合效应,利用有限元分析方法,求解光纤中的光场和声场分布及其对应的BGS,探究空气孔层数、孔间距和孔直径等PCF参数对BGS的影响,获得布里渊增益和声学模式个数随孔间距和孔直径变化的规律。提出一种空气孔直径由内到外逐渐变大的、具有类似渐变折射率分布的新型光子晶体光纤结构。设计峰值强度差为8 dB的双峰BGS的光子晶体光纤,可将其用于基于布里渊拍频谱(BBS)的光纤传感系统中,使传感系统的信噪比提升2.5倍。     

布里渊散射谱拟合的混合优化算法

基于布里渊光时域分析仪的全分布式光纤传感系统中,光纤沿途的探测信号含有噪声导致被测量的温度或应变信息难以识别,光谱拟合的精确度对传感信息的识别非常重要。在传感系统低信噪比的情况下,提出了一种提取高精度布里渊散射谱特征的拟合方法,利用小波去噪结合莱文伯-马奈特(LM)算法调节权值后向传输(BP)网络对布里渊散射谱进行特征提取。克服了传统BP神经网络易陷入局部极值的缺点,保证求解的精度。数值仿真表明,该方法适合不同权重比、不同线宽和低信噪比以及大测量范围的情况进行光谱拟合,并且在信噪比为10dB的情况下得到拟合度均超过0.96。实验结果表明,该方法适用于多种泵浦功率情况下的布里渊散射谱的特征提取,优于传统BP神经网络算法且具有较高的拟合精度。     

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.     

多模布里渊光时域反射系统的建模分析与计算

提出了一种基于多模法布里-珀罗激光器外调制的移频本地外差检测布里渊光时域反射系统,分析了系统提高光纤受激布里渊散射阈值和移频本地外差检测的原理;推导了系统信噪比的数学表达式,研究了布里渊叠加谱峰功率和谱宽、系统信噪比和频移测量精度与纵模数的关系,以及实现最优测量精度时纵模数与脉冲宽度的关系,得到了相应的拟合公式。结果表明,选用纵模间隔0.141nm的多模激光器和单纵模峰值功率100mW、脉冲宽度50ns的入纤脉冲时,随着纵模数的增加,25km光纤末端的系统信噪比、温度和应变测量精度均得到了明显提高,且纵模数为20时,系统信噪比相对于单纵模增加11.73dB,温度和应变测量精度分别达到最佳值3.2℃和70.8με;最佳频移测量精度随脉冲宽度的增大先快速提高,后趋近于恒定值2.9 MHz。     

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)     

毫米级高分辨率的混沌激光分布式光纤测温技术

近年来,随着分布式光纤传感技术在各大基础设施健康监测领域的广泛应用,人们对能够实现毫米量级精准定位和监测技术的需求日益增长.本文提出了一种基于宽线宽混沌激光的高分辨率分布式光纤测温技术.实验通过改变光反馈混沌源的偏振匹配态和反馈强度等外部参数,产生了–3 dB线宽约为7.5 GHz的宽线宽混沌激光,并在300 m传感光纤实现了空间分辨率为7.05 mm的分布式温度测量.同时,为了抑制光源线宽增加造成的布里渊增益谱恶化,在泵浦路中引入了时间门控技术,其中经脉冲调制后的泵浦光峰值功率提高了约9.5 dB,同时脉冲调制使混沌互相关锁定于脉冲持续时间内,从而布里渊增益谱的信号背景噪声比由约2.28 dB提升为4.55 dB,最终实现了空间分辨率为3.12 mm的分布式温度测量.     

提高布里渊光时域反射系统传感性能的方法

根据谱整形的思想将脉冲预抽运的概念引入布里渊光时域反射系统,提出了一种提高传感性能的方法。该方法利用由预抽运脉冲和传感脉冲组成的阶梯脉冲作调制信号,通过预抽运脉冲和传感脉冲的受激布里渊作用实现布里渊谱的整形和传感信号的放大,可有效地解决系统空间分辨率和测量精度的矛盾,并可提高系统信噪比,增加传感距离。通过受激布里渊稳态方程的瞬态分析对阶梯脉冲调制布里渊光时域反射系统中的受激布里渊散射模型进行了求解,对阶梯脉冲进行了最佳化设计,比较了矩形脉冲、洛伦兹形脉冲和阶梯脉冲调制时的系统性能。结果表明,当预抽运脉冲和传感脉冲参数为50ns、0.2W和2ns、1W时,采用阶梯脉冲时的布里渊谱宽约为44MHz,10km光纤末端信噪比较采用矩形脉冲时提高了7.97dB。最后,通过实验验证了所提方法的可行性。     

高精度双斜坡辅助式混沌布里渊光纤动态应变传感

近年来,基于受激布里渊散射的分布式光纤传感技术已广泛应用于土木结构健康监测、灾害预警、国防安全等诸多领域,振动等动态参量的实时传感和精准检测已成为备受瞩目的研究热点.本文提出一种基于增益开关调制和双斜坡辅助的混沌布里渊光相关域分析传感技术,实现高精度、大范围动态应变监测.首先,理论分析了单斜坡辅助系统中混沌激光固有的时延特征和功率随机波动特性对测量精度的影响和限制;然后,利用增益开关调制产生48.6 d B的高消光比脉冲,使得混沌信号时延旁瓣和非零基底诱发的噪声场被大幅抑制,仿真结果表明声波场信噪比提升3.31 d B,实验测得混沌布里渊增益谱信号背景噪声比提升1倍,动态应变测量精度由±40.2μe提高至±23.1μe;最后,利用双斜坡辅助技术,消除混沌激光固有功率波动的影响,动态应变测量精度进一步提升至±8.1μe,系统稳定性良好,且动态范围仍保持800μe,为现代传感网络的高精度、大范围动态应变监测提供了一种新的解决方案.     

光纤受激布里渊增益谱线型特性分析

光纤受激布里渊效应是一种非常重要的光纤非线性效应,受激布里渊增益谱的线型特性,对于光谱分析、微波光子学、光纤传感等领域的应用,至关重要。针对增益谱线型特性研究,现有方法难以获取高信噪比的增益谱数据,介绍了一种采用两个窄线宽激光器的增益谱测量方法,其中一个激光器作为探针信号,另一个可调谐激光器作为泵浦信号在宽波段范围内进行推扫。得益于激光器的高信噪比单谱线特性,并利用偏振跟随特性,实现了高信噪比的受激布里渊增益谱测量。测量并分析了不同泵浦功率,对于谱型和线宽等受激布里渊增益特性的影响,特别是,直接实验测量了增益谱型从洛伦兹线型到高斯线型的演化,揭示了泵浦功率等影响受激布里渊增益水平的因素,对于增益谱线型的影响。实验发现,当泵浦功率超过15 dBm时,增益谱出现饱和效应,导致测量增益谱线宽开始随泵浦功率提高而展宽,难以直接测量得到高泵浦功率时的高斯线型的增益谱。提出通过归一化等校正处理,以获取受激布里渊增益谱与待测信号光谱的有效卷积信息,从而得到了近似为高斯线型的增益谱型;针对中间增益区域增益谱型较为复杂,缺少合适增益谱线型演化数学模型的难题,给出了一种基于k次洛伦兹函数拟合的谱型模型,描述从洛伦兹线型到高斯线型的完整演进过程。实验表明拟合效果良好,是一种行之有效的受激布里渊增益谱线型数学模型,可完整描述增益谱在不同增益时的线型。最后,探索了受激布里渊效应在光谱分析方面的应用,通过合理选择泵浦功率等手段,增益谱型为高斯线型时的光谱分光效果最佳,获取了0.2 pm分辨率的6314CA稳定光源的光谱,显示了光纤受激布里渊效应在超高分辨率光谱分析领域的巨大技术优势,而这对于新一代光网络的验证评估至关重要。     

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。     

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,     

非线性效应对前向受激布里渊散射分布式传感的影响

以光力时域分析传感器为例,实验研究了非线性效应对前向受激布里渊散射分布式传感的影响,并给出了优化过程.前向受激布里渊散射的产生由于增益系数低,需要较高的脉冲功率(W级)进行激发,由于读取脉冲光与散射光同向传输特性,高功率脉冲将诱发前向受激布里渊散射传感系统中各种非线性效应.借鉴前人激活-读取分离技术,可有效避免激活脉冲非线性效应的影响,然而读取脉冲非线性效应对传感性能仍存在直接影响.基于此,本文研究了不同读取脉冲功率条件下,非线性效应对前向受激布里渊散射传感性能的影响及其物理机理;具体展示了～4.7 km标准单模光纤中,一、二阶散射边带随读取脉冲功率的演化过程,最终找到了优化区间,得到较为完美的本地增益谱,并且延长了传感距离.     

M型少模光纤中模间受激布里渊散射特性及其温度和应变传感特性

少模光纤的受激布里渊散射对于分布式温度/应变传感具有重要应用价值.本文提出一种纤芯折射率呈M型分布的少模光纤,详细研究了光学模式LP_(01)和LP_(11)模式内及模式间的布里渊增益谱.研究结果表明:LP_(01)-LP_(11)模式对的布里渊增益谱中,其相邻两个布里渊散射峰的频率间隔较宽、增益峰值较大且峰值相差较小.通过优化光纤结构参数,提高了基于LP_(01)-LP_(11)模式对布里渊增益谱的温度和应变传感性能,最小误差分别为0.23℃和5.67μe.该研究对探究少模光纤中模式内及模式间的受激布里渊散射特性具有一定的指导意义,对提升同时温度和应变传感测量的性能具有一定参考价值.     

基于双向拉曼放大的布里渊光时域分析系统

报道了一种基于双向拉曼放大的布里渊光时域分析系统(Brillouin optical time domain analyzer,BOTDA).利用双向拉曼抽运对信号光进行拉曼放大以补偿光纤损耗及布里渊抽运波的消耗,从而使光纤后端的测量分辨率得到改善,测量分辨率在整段传感光纤趋于一致,同时避免了调制不稳定性引起的频谱扩展,克服了传统BOTDA存在的信号强度指数下降的弊端,使传感精度得到进一步提高.实验实现了50 km传感距离, 温度分辨率达0.6 ℃,空间分辨率为50 m.实验测量并分析了基于双向拉曼放大的BOTDA信噪比和光功率分布特性. 关键词： 分布式光纤传感 受激拉曼放大 布里渊增益 布里渊光时域分析     

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。     

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.     

基于布里渊载波相移的宽带可调谐二倍频微波信号生成

本文提出并实验验证了一种基于光纤中受激布里渊散射效应的光子二倍频微波信号生成技术.利用布里渊增益谱内的强色散特性,对光强度调制器产生的双边带调制信号的载波进行π/2相移,可实现载波与±1阶边带拍频仅生成二倍频微波信号.由于光纤中受激布里渊散射的窄带特性以及仅对双边带调制信号的载波进行相移,不影响调制信号两个边带的幅值和相位,因而生成的二倍频微波信号可实现宽带调谐,调谐范围仅受其他光器件的工作带宽限制.此外,信号光和产生受激布里渊散射的抽运光均来自同一光源,因而不受波长漂移的影响,系统具良好的稳定性.