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.     

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.     

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。      

基于高斯白噪声调制的布里渊光相干反射温度传感器

根据光纤布里渊频移量随温度变化的特性,提出一种基于布里渊光相干反射技术的分布式光纤温度传感器.利用噪声信号的无周期特性,采用高斯白噪声信号对系统的光源进行电流调制,克服了现有布里渊光相干反射技术无法同时兼顾传感距离和空间分辨率的问题.实验研究表明,该传感器在253m的普通单模光纤上实现了分布式温度测量,获得了54.6cm的空间分辨率和±1.07℃的温度测量准确度.     

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。     

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.     

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,     

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.     

基于直接检测相干光时域反射计的高分辨率分布式光纤传感技术

研究了基于瑞利散射的高性能定量检测分布式光纤传感技术。在相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)的基础上,用窄线宽激光器和微波电光调制实现对光频移的精确控制,构成直接检测相干光时域反射计(COTDR)传感系统。通过分析光频移产生的传感光纤瑞利散射光干涉图样的变化,得到了传感量(温度或应变)的定量信息。对直接检测COTDR传感系统进行了理论分析,并进行了COTDR工作过程和散射信号相关特性的仿真分析,验证了高分辨率分布式光纤传感原理。在此理论分析基础上,采用微波电光调制得到了可变光频移,组建了直接检测COTDR实验系统,实现了25 km分布式光纤温度传感实验,可测量到25 km光纤末端0.1℃的温度变化。     

基于布里渊散射光时域分析的温度传感技术研究

为提高布里渊时域分析的传感精度,探寻一种相同条件下传感更为稳定、精确的传感光纤,通过实验得到一种布里渊频移与温度拟合线性度约为1的传感光纤.理论上分析了布里渊散射谱线宽度对温度传感测量精度的影响机制,在布里渊时域分析系统实验中分别以普通单模光纤与非零色散位移光纤(G.655)为传感光纤,测出在一定温度变化范围内标定点的布里渊散射谱线宽度和频移值.实验结果表明,非零色散位移光纤的布里渊散射谱线宽度随温度变化比较稳定,具有较高的传感精度.因此以G.655光纤为传感光纤更利于长距离监测场传感精度的提高.     

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)     

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.     

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。     

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...     

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。