光纤分子背向散射的温度效应及其在 分布光纤温度传感网络上应用 研究的进展

讨论了光纤分子瑞利(Rayleigh)背向散射精细结构谱和光纤分子喇曼(Ra man)背向散射光谱及其温度效应,以及在分布型光纤温度传感网络上应用研究的进展。     

光纤背向激光自发喇曼散射的温度效应研究

从理论和实验上研究了光纤背向激光自发喇曼散射的温度效应.光纤背向激光自发反斯托克斯喇曼散射、斯托克斯喇曼散射光的相对强度正比于光纤分子上、下能级粒子数的布居,依赖于温度.由于实际系统中,作为分光用的干涉滤光片不可能完全隔离背向瑞利散射光,因此,实际系统温度曲线比理论曲线低,本文给出了理论修正公式,提出了附加修正项,它与隔离度和波长有关.     

在单模光纤中放大的反斯托克斯拉曼背向自发散射的温度效应

在单模光纤中,输入的激光功率大于阈值时．出现放大的反斯托克斯拉曼背向自发散射现象。实验发现：放大的反斯托克斯拉曼背向自发散射具有温度效应．与反斯托克斯拉曼背向自发散射一样,放大的拉曼散射光的光子通量受到光纤温度的调制。反斯托克斯拉曼背向白发散射的放大效应抑制了单模光纤中的相干噪声,改善了系统的信噪比。实验还发现．放大的反斯托克斯扎曼背向自发散射空域曲线上放大的端点位置随激发功率的增高前移并具有一定的规律性。放大的反斯托克斯拉曼背向自发散射的温度效应作为一种新的测温原理,已应用于远程30km分布光纤温度传感器系统。     

谐振式光纤陀螺偏振噪声分析

谐振式光纤陀螺（R～FOG）是第二代光纤陀螺,其性能受各种噪声因素的影响。为提高谐振式光纤陀螺的性能,对谐振式光纤陀螺的瑞利背向散射、克尔效应、磁光法拉第效应和偏振态耦合等各种噪声进行了分析,并提出了对偏振态耦合噪声的解决方法。在此基础上,得到保偏光纤环旋转90°对接的谐振腔优化结构。该结构可以有效减小谐振腔的偏振噪声和磁光法拉第噪声,且可改善陀螺系统的温度特性。     

谐振式光纤陀螺背向散射噪声抑制研究

背向散射噪声是谐振式光纤陀螺的主要噪声之一。基于载波抑制法降低背向散射噪声的原理,建立了温度和电压对陀螺零偏影响的数学模型,理论证明此方法受温度影响较大且对电路要求较高。提出了三频差动谐振式光纤陀螺新方案,该方案通过谐振腔内运行三束频率间隔较大的光波来抑制背向散射噪声。与传统二频闭环陀螺进行了对比试验,结果表明:新方案能有效地降低陀螺噪声,最大陀螺零偏和零偏稳定性改善约4倍。     

干涉式光纤陀螺中的Rayleigh散射研究

从光的干涉原理出发分析了Rayleigh背向散射对干涉式光纤陀螺性能的影响,得出了散射光强与光纤位置之间的关系式,绘制了散射光强与光纤中位置之间的关系曲线,得到了距离光纤的两个端点越远Rayleigh背向散射对光纤陀螺的性能影响越小的结论。研究结果对分析光纤陀螺的光路误差有一定的参考价值。     

分布式光纤温度压力传感器设计

为了实现油田井下温度压力的全分布式测量,提出了一种基于光纤散射原理的分布式温度压力测量方法。该方法通过对普通光纤进行封装设计,制作成传感光纤。由于光纤传感器周围流体的温度和压力会对传感光纤内的散射光产生调制作用,通过光纤解调仪解调出光纤拉曼散射参数和布里渊散射频移就能够实现温度和压力的实时在线测量。实验结果表明:设计的分布式光纤温度压力传感器可以实现的温度测量分辨率为0.1 ℃,压力测量分辨率为0.07 MPa。基本满足油田井下温度压力测量的全分布式、实时在线、可靠性高、精度高、抗干扰能力强等要求。     

单模石英光纤中连续波泵浦SRS谱的演化

利用连续波掺Yb双包层光纤激光器为泵浦源,对单模石英光纤中受激Raman散射谱的形成过程进行了实验研究结果表明,由自发Raman散射向受激Raman散射演化的过程中Stokes谱宽度不断变窄当Stokes波信号功率较强时,在Raman光谱内部会出现能量红移现象,使Stokes光谱峰值相对于泵浦波的频移量从440cm^-1转化到490cm^-1.     

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.     

任意波形输入脉冲光纤背向瑞利散射的研究

背向瑞利散射是光纤中一种重要的物理过程,利用该物理现象实现的光时域反射计是一种重要且常见的光纤测量设备.本文理论研究了任意波形的输入脉冲在光纤中的背向瑞利散射过程,导出了将瑞利散射看作为一种线性系统的冲激响应函数,讨论了方波与有振荡拖尾的注入脉冲的背向散射输出波形.对于方波注入,利用商用光时域反射仪表对理论进行了验证;对于有拖尾的脉冲,进行了实验研究,结果表明仿真与实验结果一致.     

任意波形输入脉冲光纤背向瑞利散射的研究

背向瑞利散射是光纤中一种重要的物理过程,利用该物理现象实现的光时域反射计是一种重要且常见的光纤测量设备.本文理论研究了任意波形的输入脉冲在光纤中的背向瑞利散射过程,导出了将瑞利散射看作为一种线性系统的冲激响应函数,讨论了方波与有振荡拖尾的注入脉冲的背向散射输出波形.对于方波注入,利用商用光时域反射仪表对理论进行了验证;对于有拖尾的脉冲,进行了实验研究,结果表明仿真与实验结果一致.     

带光放大器的分布式光纤拉曼温度系统

 详细阐述了红外双波长带光放大器的分布式光纤拉曼温度系统原理，为了抑制放大器的自发辐射增长、温漂噪声积累、瑞利背向散射光窜扰反斯托克斯背向散射光，采用两条已知温度的曲线和最近测量温度曲线的解调方法,提高了系统的测温精度和稳定性并降低了系统的成本。实验结果与理论分析一致,系统的测温误差在±0.1 ℃内。     

电磁波作用下分子极化率的量子力学表示

由Rayleigh和Raman散射的跃迁几率幅，引入电磁波作用下分子极化率的量子力学表示。表明极化率所感生的偶极子如何成为Rayleigh和Raman散射的源并证明在Born-Oppenheimer近似下，极化率只与分子的电子运动有关。     

基于光频域喇曼散射的全分布式光纤温度传感器模型研究

分析了光频域喇曼背向散射(ROFDR)的理论模型,指出了它的局限性通过把玻色爱因斯坦因子作为温度的函数引入到分析中来完善光频域喇曼背向散射(ROFDR)的理论模型.相对于测试时间来说,温度对时间的变化率很小,认为近似不变,所以通过研究频域和时域的信号关系给出了υ域和z域间的变换关系最后给出了基于此模型的全分布式光纤温度传感器系统的仿真结果,并给出了对计算结果的误差修正公式,基于此得到的结果精度高于以前的报道.     

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.     

分布光纤喇曼光子传感器系统的一种解调方法

本文提出一种新的解调方法,在DOFRPS(分布光纤喇曼光子传感器)系统中采用Rayleigh散射OTDR(光学时域反射)曲线解调Raman散射OTDR曲线,提高了系统的测温灵敏度、测温精度,扩展了系统的功能,在2km光纤上可实时测量1000个点的温度、应力和压力;在系统中设置了光纤取样环,确定系统的修正系数,通过计算机进行实时修正,提高了测量稳定性,实验结果与理论分析一致,系统的测温精度达±1℃。     

带光纤环的分布式光纤拉曼温度系统

 为了抑制分布式光纤拉曼温度系统的温漂和瑞利散射光窜扰反斯托克斯散射光,在传感光纤前端盲区后放置光纤取样环,用瑞利散射光解调反斯托克斯散射光及用光纤取样环的温度计算光纤线上其它点的温度,提高了系统的测温精度和稳定性。采用功率100 mW，波长1.55 μm，脉宽10 ns脉冲激光器和15 dB前置光纤放大器，100M14bitA/D转换卡及DSP作数字平均构建光纤拉曼温度系统的实验，实现了测温误差在±0.03 ℃内。     

基于纤芯失配和光纤布拉格光栅实现温度和应变同时测量

基于纤芯失配理论,提出了一种多模单模多模（MSM）结构与光纤布拉格光栅（FBG）级联实现温度和应变同时测量的光纤传感器。利用MSM结构的干涉谱和FBG对温度和应变的不同响应灵敏度,实现了对温度、应变的同时测量。实验结果表明,在20 ℃~80 ℃的温度范围内,MSM结构的干涉谱和FBG的温度灵敏度分别为0.091 nm/℃和0.0102 nm/℃;在0～650 με的应变范围内,应变灵敏度分别为 -0.0013 nm/με和0.0012 nm/με。因此利用敏感矩阵,即可实现对温度和应变的同时测量,且温度和应变的最大测量误差分别为±0.2 ℃和±8.25 με。该结构灵敏度高,结构简单,且不易受电磁等干扰,实验结果具有良好的线性度,在工程领域应用前景良好。     

用超声背向散射谱定征柱状固体的弹性常数

根据流体中圆柱固体对超声波的背向散射谱与固体弹性参数的密切关系,本提出了材料弹性参数测量的一种新方法－超声背向散射谱法;测量了铜合金杆和铝合金杆的超声背向散射谱,并反演得到了它们的杨氏模量和泊松比。和传统的静力学方法相比,超声背向散射法测得的数据较精确,且对被测材料不会造成任何损伤。     

基于磁流体填充微结构光纤的温度特性研究

利用毛细现象将磁流体完全填充到六角形微结构光纤的空气孔中, 分析了磁流体填充长度、浓度对其传导特性的影响. 结合磁流体独特的热光效应, 并对一定浓度、长度下填充的光纤进行了温度特性的研究. 结果表明, 随着温度的升高, 透射谱1460 nm处磁流体的吸收峰逐渐变浅. 基于磁流体载液与表面活性剂对温度的不同敏感性, 吸收峰左右两个边沿表现出不同的温度响应; 在波长为1100–1700 nm之间透射损耗与温度变化成线性关系, 对于填充长度为10 cm的微结构光纤, 敏感度达到0.06 dB/℃, 且液体填充长度越长, 灵敏度越高. 该研究将微结构光纤与磁流体材料有机地结合起来, 并利用填充材料自身的热光特性, 实现了对透射谱的单边调谐, 将其作为热光可调谐器件、滤波器等相关可调谐光子器件在光通信、 光传感等领域将具有很大的应用潜力. 因此, 基于材料填充微结构光纤的研究可为探索新型全光纤光子器件的新技术和新结构提供有效的方法. 关键词： 微结构光纤 磁流体 热光效应 温度传感