光纤分子背向散射的温度效应与分布光纤温度传感网络

本文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（Raman）背向散射光谱及其温度效应。作者从实验中发现1550nm光纤分子瑞利（Rayleigh）背向散射的温度效应强于905nm;光纤分子瑞利（Rayleigh）背向散射强度与温度近似成正比关系;作者讨论了光纤分子背向Raman散射温度效应在分布式光纤温度传感网络上的应用。     

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。     

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℃.     

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.     

分布式光纤温度传感技术在隧道监测中的应用

介绍了分布式光纤温度传感检测原理及采用拉曼散射型分布式光纤温度传感器并将其与高速采集处理电路集成的检测方式。分析了分布式光纤温度传感技术应用于隧道火情监控的优越性。结合计算机及现场Modbus网络构建了隧道监测网络，同时还介绍了开发隧道监测网络的软硬件设计过程。现场实验表明，分布式光纤温度传感技术具有良好的应用前景和较高的推广价值。     

光纤喇曼放大器的特性及其在宽带通信中的应用

随着宽带业务的增长和 DWDM技术的发展 ,人们需要更宽增益带宽的全光放大器。光纤喇曼放大器由于其可放大任意波长信号的特性而得到广泛的关注和重视。介绍了喇曼放大器的特性 ,总结了国外近年来对喇曼放大器在宽带通信应用中的研究 ,并讨论了喇曼放大器的发展方向     

错位光纤干涉激光谱结合BP神经网络的温度传感研究

在分析不同温度时单模错位光纤干涉光谱对应波长的条件下,搭建三层BP神经网络模型对温度传感进行研究,解决了常规光纤测温系统复杂和精度不高的问题。对建立的网络模型参数进行探讨,将采集的激光波长与对应的温度数据,经BP神经网络训练,对比得到最佳网络结构,达到在训练完成的网络输入层输入激光波长值时,便可在输出层得到对应的温度预测值。结果证明,实验输出的预测温度值与实际温度值之间表现出明显的相关性,即预测值能够逼近实测值。温度校正和预测相关系数分别达到0.999 61和0.979 27,校正标准误差与预测标准误差分别为0.017 5和0.144 0,得到预测集的平均相对误差为0.17%,剩余预测误差RPD可达到5.258 3,RPD大于3.0,说明定标效果良好,所建模型可用于实际的检测。另外,将该算法用于了带校正的双耦合结构单模错位光纤测温系统中,结果表明BP神经网络方法能够较好的处理错位光纤测温系统中激光光谱数据和温度之间的非线性关系,预测温度值与实测温度值之间的相关度为0.996 58,得到预测温度值与实际温度值之间平均相对误差为0.63%,从而提高了光纤测温传感器的精度和稳定性,同时也验证了该算法在光纤传感上的可行性,也为错位光纤的压力、曲率等其他物理量传感的精确测量提供了新思路。     

密集切趾光纤光栅阵列制备及其准分布温度传感的实验研究

针对小范围热源温度探测的需求,在线制备了密集切趾的光纤光栅阵列,采用光波长时域反射解调技术和光时域分段解调技术对切趾光栅阵列传感网络信号进行解调,实现了对小范围热源温度变化的精确测量。模拟了高斯切趾光栅的旁瓣抑制效果,结果显示高斯系数G=4时,可获得较好的谱型和较高的旁瓣抑制比。采用在线光栅阵列制备系统制备了旁瓣抑制比为20.74 dB的密集切趾光栅阵列,温度实验结果显示,传感网络的时域分段精度可达1 m,空间分辨率可达10 cm,温度灵敏度为10.15 pm/℃。该系统可应用于电缆廊道、地铁等环境下的小范围热源温度探测。     

汤姆逊散射技术在HL-2A装置上的应用进展

非相干激光汤姆逊散射诊断只需要假设电子速度满足Maxwell分布,测量得到的等离子体电子温度与电子密度的数据准确可靠,是托卡马克和其他磁约束核聚变研究装置上重要的诊断工具,并朝着高可靠性、高空间分辨和高重复测量频率的方向发展,其中高可靠性是前提。电子的汤姆逊散射截面很小,其总截面为σ_T=6.65×10^-25 cm²,通常使用电光调Q的Nd∶YAG激光器作为散射光源,激光脉冲宽度约10 ns、脉冲能量约3 J,用5～8通道的光谱仪对散射光谱进行测量与分析。如何对光电探测模块输出的散射脉冲进行数据采集,是激光散射诊断的关键问题之一。以前使用电流积分式的数据采集器(Q-ADCs,如CMC080模块),在一个确定的时间宽度(如50 ns)将散射脉冲信号积分在采样电容器上,从而得到散射信号的强度值,这种方法很难排除电路噪声和外来干扰。该研究通过使用高速数据采集器(纵向分辨率≥10 bits、采样频率f≥1 GS·s^-1,如V1742B模块)在包含散射信号在内的时间段(如300～500 ns)进行采集,获得散射...     

新型分布式光纤拉曼光子温度传感器系统

讨论了2kmFGC-W2，10kmFGC-W10和30kmFGC-W30分布式光纤拉曼光子温度传感器系统的工作原理和系统的结构，介绍了国内外分布式光纤拉曼光子温度传感系统的研究现状，提出了分布式光纤拉曼光子温度传感器系统的发展方向。     

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。     

1410 nm波段分布式光纤拉曼增益放大器的研究

讨论了分布式光纤拉曼增益放大器的工作原理,采用1320nm固体激光器作为抽运源,获得了1410nm波段附近的光放大,在单模GI光纤长度为23km时,初步研究了拉曼放大器增益与光纤作用长度的关系,抽运脉冲峰值功率分别为50W、30W时,光纤的有效作用长度分别为15．5km和10.5km;研究了在不同的光纤有效作用长度时,拉曼放大器增益与抽运功率的关系;从光纤拉曼光谱图估算了光纤拉曼放大器的光谱宽度为50nm或250cm^-1。     

Compensation for temperature dependence of Stokes signal and dynamic self-calibration of a Raman distributed temperature sensor

This article discusses a powerful calibration technique that compensates for the temperature dependence of the Stokes signal in a Raman distributed temperature sensor. The Stokes signal is conventionally used for normalization since its scattering cross-section is a weaker function of temperature than that of the anti-Stokes signal. The potential of this temperature dependence of the Stokes signal to introduce errors in measurements has received only cursory mention in the literature. We show that this effect degrades the temperature accuracy by as much as 90%. Additionally the heavy fiber attenuation at the operating wavelength also makes calibration non-trivial. The technique described implements a corrective mechanism for this temperature dependence, offers the additional benefit of self-referencing of a heated curve rather than referencing to the fiber at room temperature, and demonstrates the viability of such a system despite the heavy fiber attenuation at the operating wavelength. This obviates the impractical and erroneous approach of storing an initial room temperature profile for subsequent temperature calculation. This dynamic self-referencing adds substantial immunity to the tolerances in the actual numerical values of the Raman wavelengths thereby making the system robust.     

激光拉曼型分布光纤温度传感器系统

激光拉螺型分布光纤温度传感器系统是一种用于实时测量空间温度场分布的光纤传感系统，在系统中光纤既是传输媒体也是传感媒体。本文讨论了系统的工作原理、设计思想、系统的结构，在系统中采用光纤的光时域反射技术，背向光纤激光自发拉曼光谱技术，双波长、双通道光电检测和自校正技术，高速瞬态采样平均技术。     

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℃。     

分立式与分布式光纤传感关键技术研究进展

光纤传感技术已广泛应用于航空航天、石油化工、电子电力、土木工程、生物医药等领域,其技术形式主要体现为分立式和分布式.分立式光纤传感技术利用光纤敏感器件作为传感器来感知被测参量的变化,光纤作为光信号的传输通道连接光纤传感器及后端的解调装置;分布式光纤传感系统基于光纤瑞利散射、拉曼散射或布里渊散射等光学效应,利用光纤本身作为传感器,可对沿途的光信号进行大范围、长距离传感.本文介绍了分立式与分布式光纤传感中主要关键技术的研究进展,并对未来的研究和发展方向进行了探讨.     

土壤温度对光纤预警系统中振动信号的影响

开展了光纤预警系统在实时监控振动信号时受到土壤温度影响的理论分析和实验研究。以基于后向瑞利散射的分布式光纤传感系统为基础,土壤振动分析采用弹性半空间理论,并与光纤传感理论相结合,解释了温度对光纤预警系统中土壤振动信号的影响,建立并分析了理论模型。通过对1.2km光纤预警系统的现场实验,采集了在温度改变时土壤振动信号的变化。实验表明,土壤振动信号的峰值光功率随温度上升增大,说明了光纤预警系统中的振动信号会受土壤环境的影响。     

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)     

Surface chemistry and catalysis of oxide model catalysts from single crystals to nanocrystals

Fundamental understandings of surface chemistry and catalysis of solid catalysts are of great importance for the developments of efficient catalysts and corresponding catalytic processes, but have been remaining as a challenge due to the complex nature of heterogeneous catalysis. Model catalysts approach based on catalytic materials with uniform and well-defined surface structures is an effective strategy. Single crystals-based model catalysts have been successfully used for surface chemistry studies of solid catalysts, but encounter the so-called “materials gap” and “pressure gap” when applied for catalysis studies of solid catalysts. Recently catalytic nanocrystals with uniform and well-defined surface structures have emerged as a novel type of model catalysts whose surface chemistry and catalysis can be studied under the same operational reaction condition as working powder catalysts, and they are recognized as a novel type of model catalysts that can bridge the “materials gap” and “pressure gap” between single crystals-based model catalysts and powder catalysts. Herein we review recent progress of surface chemistry and catalysis of important oxide catalysts including CeO₂, TiO₂ and Cu₂O acquired by model catalysts from single crystals to nanocrystals with an aim at summarizing the commonalities and discussing the differences among model catalysts with complexities at different levels. Firstly, the complex nature of surface chemistry and catalysis of solid catalysts is briefly introduced. In the following sections, the model catalysts approach is described and surface chemistry and catalysis of CeO₂, TiO₂ and Cu₂O single crystal and nanocrystal model catalysts are reviewed. Finally, concluding remarks and future prospects are given on a comprehensive approach of model catalysts from single crystals to nanocrystals for the investigations of surface chemistry and catalysis of powder catalysts approaching the working conditions as closely as possible.