海洋赤潮温度盐度双参数检测技术研究

针对海洋赤潮的实时监测和预报,提出了一种通过检测海水中布里渊散射回波信号,获取海洋赤潮水体温度和盐度分布信息的双参数检测技术。通过分析布里渊散射理论,建立基于机载蓝绿激光雷达的布里渊散射信号频移量和布里渊散射信号能量与海水温度和盐度的关系模型。通过仿真计算,可由海水中的蓝绿激光布里渊散射回波信号的频移量和能量,分别得出海表及海水50 m深度以内温度和盐度的分布情况,从而可以实现海水温度和盐度的双参数实时获取,为实时判断海洋赤潮的消长过程提供理论依据。     

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.     

基于改进二次多项式拟合的布里渊频移快速高精度提取算法

为了在保证测量准确性的基础上提高基于布里渊散射的光纤分布式传感的实时性,对布里渊频移的快速、高精度提高算法进行了研究。实现了基于二次多项式拟合的布里渊频移提取算法和典型的基于洛伦兹、高斯、伪Voigt和Voigt模型的算法,采用光时域反射计(BOTDR)实测了一段长光纤上的布里渊谱,采用以上算法提取了对应的布里渊频移。计算结果表明,二次多项式拟合算法的计算速度明显快于以上经典算法,其计算耗时仅分别为以上经典算法的1.15%,1.80%,1.51%和0.51%,但计算误差明显大于经典算法,影响了其实际应用。以上结果与对应数值产生布里渊谱的计算结果吻合。为了提高该算法的计算准确性,系统研究了扫频范围、扫频点数、信噪比、线宽和扫频范围偏差对基于二次多项式的布里渊频移提取准确性的影响。结果表明:当扫频点数固定时随扫频范围增加布里渊频移误差先减少到最小值后逐渐增加,扫频点数固定时最佳扫频范围为1个线宽;扫频范围不变时随扫频点数和信噪比的增加布里渊频移误差分别成幂和指数规律减少;扫频范围与线宽比值不变及扫频点数不变时随线宽增加布里渊频移误差线性增大;随扫频范围偏差增加误差逐渐增大,实际用于拟合的谱信号尽量围绕布里渊频移左右对称。根据以上研究结果提出了一种用于布里渊频移快速提取的改进二次多项式拟合算法,该算法从测量得到布里渊谱中截取1倍线宽且关于最大增益对称的谱信号用于后续拟合,较之经典的谱拟合算法,改进算法不仅能大幅提高计算速度且计算准确性与经典算法相似。采用数值产生及实测布里渊谱的计算结果验证了所提出算法的有效性。提出的算法不仅能有效提高基于布里渊散射的光纤分布式传感的实时性。     

布里渊散射线宽对边缘探测技术定标数据的影响

用边缘探测技术测量水中的布里渊散射信号,可以得到很高的测量精度.当布里渊散射线宽随海水温度、盐度的变化而改变时,探测到的信号强度也会随之发生变化,从而影响数据定标.在考虑布里渊散射线宽随温度变化的基础上,重新对用边缘探测方法测量水中布里渊散射信号所得的数据进行定标.实验中用一个偏振棱镜改变被测信号相对于两个吸收池布儒斯特窗的偏振状态,发现偏振状态的改变会导致定标数据变化.     

基于激光布里渊散射的高速气流测试技术

激光布里渊散射是由介质密度涨落引起的一种非弹性散射现象,其散射谱特征参数（频移、线宽）取决于散射角和散射介质压强、温度等参数,通过探测高速气流激光布里渊散射谱,可反演获得高速气流压强、温度等参数。介绍了基于激光布里渊散射原理的高速气流参数测试原理,设计了一种基于法布里 珀罗干涉仪的高速气流参数测试装置,搭建实验平台获取了高速氮气气流的激光布里渊散射谱。实验结果表明,通过激光布里渊散射谱获得的高速气流压强、温度值与理论值相对误差在15%以内。     

环境温度宽范围变化对光纤布里渊频移的影响

搭建了光纤布里渊频移测量系统,实现了色散位移光纤20 ℃到820 ℃布里渊频移的测量,并对测量数据进行拟合. 在环境温度大范围变化时,目前采用的布里渊频移-温度一阶线性关系式对测量数据分析误差较大,针对这个问题,本文从纯石英光纤的结构特点和材料的物性系数出发,在分析光纤的热膨胀系数、光纤密度、折射率、弹性模量和泊松比与宽范围温度关系的基础上,根据布里渊频移与各物性参数的关系式理论推导了宽范围温度变化与布里渊频移之间的二次项关系式. 理论推导结果与实验数据基本符合,验证了理论分析的正确性,从而为光纤宽范围布 关键词： 光纤 高温传感 布里渊散射 布里渊频移     

利用不同介质进行布里渊放大的研究

研究了受激布里渊散射振_放双池系统中振荡池和放大池选用不同种类介质的情况.理论分析 结果表明，当两种介质的布里渊频移接近，布里渊线宽有交叉时，系统仍具有放大作用.采 用CCl4作为放大池介质，CCl4/CS2的混合介质作为振荡池介质，利用Nd:YAG调Q 激光研究了布里渊频移的偏离对布里渊放大的影响，结果表明，当布里渊频移的偏离较小时 ，其种子光放大率和种子光脉宽压缩率仍然很大.采用CS2作为放大池介质，苯作为振荡池 介质，对振 放双池系统进行了实验研究，其种子光放大率达到44，种子光脉宽压缩率为 72，相位共轭保真度为98%，种子光放大率的稳定度小于3%. 关键词： 受激布里渊散射 布里渊放大 布里渊频移 布里渊线宽     

基于自发瑞利-布里渊散射的相关参数误差对气体温度准确测量的影响

仿真了氮气在温度为298 K,压强为20265.0～810600.0 Pa下的自发瑞利-布里渊散射光谱,利用仿真光谱研究了法布里-珀罗干涉仪的仪器函数线宽、散射角、气体体黏滞系数、压强参数误差,以及存在气溶胶时米散射干扰对气体温度反演结果的影响。仿真结果显示:在仪器函数线宽偏差≤5 MHz,散射角偏差≤0.2°,体黏滞系数偏差≤0.2×10~(-5) kg·m~(-1)·s~(-1),以及压强相对误差≤3%的条件下,单个参数偏差导致的温度反演的最大绝对误差为1.7 K。米散射的相对强度为0.3～2.5时,温度反演的误差通常低于2 K。此外,还开展了在温度为298 K,压强在70927.5～709275.0 Pa范围内的侧向90°的氮气自发瑞利-布里渊散射实验,经参数优化后,根据测量光谱对温度进行反演,结果表明:实验结果与仿真分析结论具有较好的一致性,在与仿真相同的参数误差条件下,实验获得的温度绝对误差小于1.2 K。该研究对实现不同压强条件下温度的高精度绝对探测及气体状态的准确分析具有一定的参考意义。     

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。     

1064nm红外激光大气布里渊频移量模型

1064nm激光常用于大气环境监测。以激光信号在传输介质中布里渊散射频移量模型为基础,依据相关大气数据建立1064nm激光大气中布里渊散射信号检测的大气探测模型。该模型将布里渊频移量归一为只与大气高度这一单参数相关的函数,详细地描述了0～1000km范围内大气布里渊频移量的连续分布状态。结果表明在0～1000km的海拔高度范围内,1064nm激光大气的布里渊散射频移量以非单调的形式分布在0.5～1.2GHz之间。     

一种利用布里渊散射的光纤应变传感新方法

根据光纤中的布里渊散射附加频移与光纤所受的拉伸应变有关的特性,推导了附加频移与应变间的线性关系。在此基础上提出了利用光外差原理探测附加频移,从而实现应变探测的传感新方案,并分析了该方案能降低对激光源的线宽及频率稳定度要求之原因,给出了实验系统及实验结果。     

一种利用布里渊散射的光纤应变传感应方法

根光纤史的布里渊散射附加频移与光纤所受的拉伸应奕有关的特性,推导了附加频移与应变间的线性关系。在此基础上上提出了利用光外差原理探测附加频移,从而实现应变探测的传感新方案,并分析了该方案能降低对激光源的线宽及频率稳定要求之原因,给出了实验系统及实验结果。     

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.     

分子吸收池在水中布里渊散射边缘探测技术中的应用

在用边缘探测技术测量水中的布里渊散射信号方法中,碘分子吸收池作为边缘滤波器探测水中的布里渊散射频移,2个相同的溴分子吸收池,一个作为带阻滤波器吸收瑞利散射信号,另一个用于激光器的稳频,提高了布里渊频移的探测精度.     

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.     

基于光纤环形腔结构的布里渊频移器设计

为了达到布里渊光时域分析(BOTDA)系统双通道激光源的布里渊频移要求,设计了一个光纤布里渊频移器,放置在其探测脉冲通道,使探测光与另一通道的扫频光具有布里渊频移差(约11.2GHz)。通过分析频移器的输出光谱线宽窄化原理,利用光纤中激发的布里渊增益谱结合一定的环形腔结构形成窄线宽的布里渊斯托克斯光谱输出,且分析了环形腔频移器的受激布里渊散射阈值和光-光转换效率两个性能指标及其影响因素。采用1551nm窄线宽光源,对实际搭建的9km单模光纤布里渊频移器进行了实验验证,结果表明:频移器的受激布里渊散射阈值为2.3mW,布里渊频移对应的波长改变约为0.1nm,此时的定向耦合器耦合比为0.4,光-光转换效率为49%。所设计的光纤布里渊频移器能达到布里渊光时域分析系统光源的技术指标,降低了系统的复杂性和成本。     

基于布里渊散射信号检测的大气探测模型

以激光信号在传输介质中的布里渊散射频移量模型为基础,依据相关大气数据建立基于布里渊散射信号检测的大气探测模型。该模型中布里渊频移量只与大气高度相关,详细描述了低空大气范围内布里渊频移量的连续分布状态。结果表明在086 km的海拔高度范围内,大气的布里渊散射频移量分布在1.01.3 GHz之间。与有关数据相比,该模型与实际情况非常符合,同时具有很好的连续性和普适性。     

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。     

基于多波长布里渊光纤激光器的温度传感特性

为了在高腐蚀、高辐射和强电磁干扰等复杂环境下实现对温度的精确测量,设计并实验了一种基于传感多波长布里渊光纤激光器(MBFL)和参考MBFL的高灵敏度全光纤温度传感器。理论和实验上分析了布里渊散射光的频移与温度变化之间的关系,根据输出斯托克斯激光信号对拍频所得微波信号的频移变化,测量温度的变化。通过带宽为0.1 nm的可调谐光滤波器选择第10阶斯托克斯激光信号对输出,并对其进行拍频探测,实现对传感MBFL周围温度变化的精确测量。通过拍频探测第10阶斯托克斯激光信号对,得出其灵敏度为10.829 MHz/℃。当选用第10阶斯托克斯激光信号对进行温度测量时,温度变化40℃的测量误差约为0.138℃。     

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.