一种多模FP激光器BOTDR系统的建模分析

根据相干检测理论提出了一种基于多模法布里-珀罗激光器的光纤瑞利与布里渊散射自外差检测的布里渊光时域反射计传感系统,分析了该系统提高光纤受激布里渊散射阈值和瑞利与布里渊散射自外差检测的原理,推导出系统信噪比表达式,分析了纵模数与布里渊谱峰值功率、谱宽和系统信噪比、温度及应变测量准确度之间的关系,并进行了计算.结果表明,选用纵模间隔为0.141nm的多模法布里-珀罗激光器时,随着纵模数的增加,在25km光纤末端系统信噪比、温度和应变测量准确度均得到了较大提升,当纵模数为19时,温度和应变测量准确度分别达到最佳值3.81℃和86.69με.     

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.     

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。     

基于实时小波变换信号处理的相干检测布里渊光时域反射计

布里渊光时域反射计检测信号较微弱的自发布里渊散射光,其布里渊频移只有11 GHz左右.相干检测是一较好的方法,但其接收信号是一宽带的幅度调制信号,难以直接解调.采用实时小波变换对传感信号进行处理,设计了布里渊光时域反射计传感器实验系统,实现了25 km的分布式温度传感,在5 m的空间分辨率和1 min的响应时间下,达到40 με的应变分辨率.     

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。     

损耗型矢量布里渊光时域分析光纤传感技术

提出了一种损耗型矢量布里渊光时域分析光纤传感技术,通过构建基于外差检测的模拟实验系统测量受激布里渊散射幅度损耗谱和相移谱,实现了50m传感光纤的温度测量。结果表明,通过测量相移谱获得的布里渊频移与通过测量幅度损耗谱获得的布里渊频移基本一致,且均与温度呈良好的线性关系;由损耗型矢量布里渊光时域分析技术获得的布里渊频移的温度系数为1.16 MHz/℃,与传统布里渊光时域分析技术获得的1.2 MHz/℃具有良好的一致性。根据理论和实验结果,分析了损耗型矢量布里渊光时域分析光纤传感技术的优势。     

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.     

应变梯度对布里渊光时域反射计测量精度的影响

基于脉冲抽运的布里渊光时域反射计技术具有米数量级的空间分辩力。为了分析在其空间分辨力范围内的应变梯度增加对布里渊谱测量的影响,建立了后向布里渊散射谱与应变梯度的函数关系。数值分析结果表明应变梯度增大,不仅使布里渊频移随之线性增大,也会使后向布里渊散射谱峰值非线性降低,谱峰变得平坦。空间分辨力10m的100με／m应变梯度相对于零应变梯度,引起的布里渊频移测量误差增加2．04倍。传感光纤固定于悬臂梁上以模拟不同应变梯度,采用对频宽小于1MHz的激光脉冲调制和基于相干平衡检测的布里渊光时域反射计系统,实验测得了沿传感光纤的后向布里渊散射谱数据和应变分布。布里渊谱数据经最小二乘法拟合后,得到的不同应亦梯度的谱曲线变化与理论分析相吻合。     

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.     

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.     

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.     

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.     

微波电光调制的布里渊散射分布式光纤传感技术

在分析布里渊散射分布式光纤传感器检测原理的基础上,针对布里渊散射光信号比较微弱且和瑞利散射光之间存在频移的特点,采用微波电光调制产生频率可调的参考光,和后向布里渊散射光进行相干检测,得到放大的布里渊散射光信号,再用高速模拟数字转换和存储叠加进行时序信号处理,最后得到分布式传感信号。给出了各部分实验过程和结果,得出与理论分析一致的布里渊散射光频谱和光强随温度升高而产生变化。实现了25km的分布式温度传感,初步实验结果证明了方案的可行性。     

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。     

Full investigation of the backscattering in resonator fiber optic gyro

Resonator Fiber optic gyro (RFOG) is a high accuracy inertial rotation sensor based on the Sagnac effect. The optical fiber ring resonator (OFRR) is the key rotation sensing element. The backscattering characteristics of the OFRR are fully investigated. The Rayleigh backscattering dominates the backscattering spectrum with the input power below the threshold. High carrier suppression is crucial to reduce this Rayleigh backscattering error. Being different from the intrinsic Rayleigh scattering of the fiber, the stimulated Brillouin scattering (SBS) in the OFRR should be avoided. This is because the finesse and the resonance notch depth of the OFRR decrease for the pump depletion through the SBS process. The shot noise limited sensitivity (SLS) of the RFOG is improved by increasing the input power. Through analysis, it is found that the threshold input power is improved after phase modulation. The SLS of the RFOG is analyzed at different modulation parameters and its relevant SBS threshold. Accordingly, the optimized modulation frequency and the corresponding maximum input power are all obtained. A simple method of testing the frequency shift in the SBS is also proposed. In this method, the central frequency of the laser source is locked to the resonance frequency of the OFRR in one direction. A steady SBS light is observed and its frequency shift is measured together.     

基于布里渊后向散射的海水温度与盐度同步测量研究

基于布里渊散射信号的检测可实现对海水温度等参量的监测.由于海水的布里渊频移量是关于温度和盐度的二元函数,故无法仅通过布里渊散射频移量的检测实现对海水温度和盐度两个独立变量的精确测定.研究表明布里渊信号的功率也是关于温度和盐度的二元函数,所以文章提出通过测量布里渊频移量和接收布里渊信号功率大小,通过两个二元函数反演出海水的温度与盐度数值,实现对海水温度和盐度两个独立变量的同步测量.