基于误差补偿的分布式喇曼温度传感器(英文)

基于分布式喇曼传感器,对斯托克斯光和反斯托克斯光两路信号的同步问题进行了合理假设,并给出相应的补偿方法.为了进一步提高解调温度的准确度,采用温度解调系统及温度解调软件对实验系统收集到的数据进行分析.给出了实际开发分布式喇曼传感系统中补偿后离散式的温度解调算法,对该算法解调出来的温度进行实验测试.结果表明:解调温度的误差和监测点到光纤光注射端的距离及相应监测点待解调的温度值均有线性关系.该温度传感器空间分辨率达1m,对于整个2km的探测光纤,即使考虑到温控箱拥有0.5℃左右温度误差,整个实验系统的温度解调误差也在1℃左右.     

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.     

基于多模光纤的分布式喇曼测温系统

基于喇曼散射和光时域反射原理,分析后向散射光中反斯托克斯光和斯托克斯光光强比值,研制了基于多模光纤的分布式喇曼温度传感系统.采用对低、高温段温度分别进行拟合的动态温度标定方案,将测温精度提升至±1℃.分别对系统温度分辨率、测温精度、空间分辨率以及重复性进行了实验,结果表明:系统温度分辨率为1℃,空间分辨率为1m,系统稳定性良好,能够适应复杂环境变化.     

纤维光学

光纤及其传输理论TN252007021488在DCF光纤中放大的背向自发喇曼散射的增益特性=Gain character of amplified backward spontaneous Ramanscattering in DCFfiber[刊,中]/徐海峰(上海理工大学光学与电子信息工程学院.上海(200093)),张在宣…//光电工程.-2006,33(11).-97-100光脉冲沿色散补偿光纤(DCF)传输会产生背向自发喇曼散射,当入纤激光功率大于阈值时,出现放大的背向自发喇曼散射现象。实验发现,反斯托克斯(ASR)和斯托克斯(SR)自身脉冲光纤喇曼放大的阈值泵浦峰值脉冲功率是18.2W和14.5W。当入纤激光功率为52W时,背向SR和AS…     

基于拉曼散射光动态校准的分布式光纤温度传感系统

分布式光纤温度传感(distributed temperature sensor, DTS)系统进行温度测量时,参考光斯托克斯光强度随着温度的升高而增大,使信号光反斯托克斯光与参考光斯托克斯光强度的比值减小,测量温度小于真实温度,降低系统的测温准确度.本文提出并实验验证了一种新的动态校准法修正斯托克斯光信号,可有效减小斯托克斯光导致的测温误差,提高系统的测温准确度.该方法根据参考光纤中的实时斯托克斯光强分布,模拟出对应的整条光纤在参考温度环境中的斯托克斯光强度曲线,实现斯托克斯光的温度响应修正.实验结果表明,与传统温度解调方法相比,分布式光纤温度传感系统进行斯托克斯光动态校准后测温准确度最高提升4.3℃.与瑞利噪声抑制法联用后,测温准确度提高8.9℃.本研究为DTS系统进行高温环境温度监测提供了一种新的解决方案.     

分布式光纤拉曼温度传感器的对称解调

提出了一种用于分布式光纤拉曼温度传感器的对称解调新方案,采用瑞利散射光时域反射仪(OTDR)曲线解调光纤的反斯托克斯散射光时域反射仪曲线。首先将测量温度范围分成数段,用传统解调方法获取待测温度,然后判断该温度属于哪段内,最后用该对称的数段边界标定温度解调得到偶数个温度测量值,取平均值作为测量值。该方法提高了系统的测温精度和稳定性,系统的测温误差在±0．05℃内,空间分辨力1 m。实验结果与理论分析一致。     

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。     

光纤分布式测温系统中基于迭代法的高准确度温度解调算法

提出了一种利用喇曼散射原理的光纤分布式测温系统中基于迭代的高准确度温度解调算法.针对于常规的反斯托克斯-斯托克斯双光路比值的温度解调算法,该迭代算法进一步校正了光纤中双光路衰减系数差对温度敏感带来的温度测量误差,尤其适用于中距离且温度场复杂的测温环境,实现了高准确度的温度测量.通过理论分析确定了该迭代法的迭代格式,测量了相应的光纤参量,并在传感样机上编写相应的代码通过实验予以验证,在0~90℃温度范围,5 km测量长度输出的测温曲线符合预期的测温效果.     

光纤分布式测温系统中基于迭代法的高准确度温度解调算法

提出了一种利用喇曼散射原理的光纤分布式测温系统中基于迭代的高准确度温度解调算法.针对于常规的反斯托克斯-斯托克斯双光路比值的温度解调算法,该迭代算法进一步校正了光纤中双光路衰减系数差对温度敏感带来的温度测量误差,尤其适用于中距离且温度场复杂的测温环境,实现了高准确度的温度测量.通过理论分析确定了该迭代法的迭代格式,测量了相应的光纤参量,并在传感样机上编写相应的代码通过实验予以验证,在0～90℃温度范围,5km测量长度输出的测温曲线符合预期的测温效果.     

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。     

基于累加平均的分布式光纤拉曼测温系统

分布式光纤拉曼温度传感(DTS)系统是一套基于光纤中的拉曼散射效应来实现分布式温度监控的系统,利用光纤中拉曼散射光的强度与光纤的温度状态有关的原理对温度进行实时监测。设计了一套9 km的光纤拉曼测温系统,利用数据采集卡对斯托克斯和反斯托克斯光进行采集,在电脑端对温度进行累加平均处理,将微弱的信号从系统的噪声中提取出来,提高其信噪比。在累加平均16 000次的情况下测温精度达到了±2℃。     

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。     

Investigation on the suppression of stimulated Brillouin scattering in single-frequency Raman fiber amplifiers

High power operation of single-frequency Raman fiber amplifiers (SF-RFAs) is usually limited by the onset of stimulated Brillouin scattering (SBS). In this paper, we present our theoretical investigation on the suppression of SBS in SF-RFAs, based on the intensity equations combining SBS and stimulated Raman scattering (SRS). The effects of increasing the mode area of fiber and utilizing temperature and strain gradients along the fiber on the suppression of SBS are discussed. The simulation results suggest that it is not an advisable method to suppress SBS in SF-RFAs by increasing the mode area. Besides, although tensile strain and temperature gradients can suppress SBS in RFA singly, the conditions are too rigorous to realize. Based on the numerical simulation results, a feasible scheme for the suppression of SBS in RFA is proposed using the temperature gradients together with tensile strain gradients along the fiber length, resulting in an increase of ～3 times of amplifiers output power.     

尾流后向散射光功率衰减特性研究

依据Mie理论光散射在0°和180°有明显增强的结论,应用自行设计的模拟尾流后向散射光功率实验系统在632.8 nm He-Ne激光器直接照明和扩束后照明两种条件下,对模拟尾流后向散射光功率衰减特性进行了研究.结果表明,用后向散射光功率进行探测时,考虑到散射光在水中传播的衰减,对近距离分布的气泡,使用扩束光照明效果较好;对较远距离分布的气泡,使用细光束照明效果较好,其可探测的距离要比扩束光远.     

Multiwavelength fiber laser based on a photonic crystal fiber loop mirror with cooperative Rayleigh scattering

In this work, a multiwavelength fiber Raman laser based on a highly birefringent photonic crystal fiber loop mirror is presented. A laser resonator is formed when the Raman amplification with cooperative Rayleigh scattering in a dispersion-compensating fiber is used as a distributed mirror and combined with a photonic crystal fiber loop mirror filtering structure. Stable multiwavelength lasing at room temperature is achieved due to the low temperature sensitivity of the highly birefringent photonic crystal fiber.     

光纤中拉曼散射回波超高灵敏度探测技术研究

与布里渊散射不同,石英光纤中斯托克斯拉曼散射与光纤所受应力无关,只是绝对温度的函数,而且其拉曼频移为1.395×1013 Hz, 比布里渊散射易于提取,作为分布式光纤温度传感器的传感信号有一定的优势,但斯托克斯拉曼散射信号比布里渊弱,其峰值功率在APD中产生的光电流在nA级,低于APD的噪声电流,经光电转换后信号的信噪比小于1,傅里叶变换以及小波变换都无法有效地处理这类信号。通过对斯托克斯拉曼散射信号进行特征分析后,采用累加与小波降噪的综合方法提取该信号,实现在APD噪声电流以下的超灵敏度探测,达到每度0.104 nA的温度灵敏度,低于本系统所有APD噪声电流2.3 nA的1个数量级。     

绝对探测大气温度的纯转动拉曼激光雷达系统

纯转动拉曼激光雷达是探测大气温度廓线的重要手段之一,其正常工作需要配置其他并行校正设备,制约其在气象及环境监测领域中的实用化进程.基于大气氮气分子的纯转动拉曼谱型对温度的依赖性,提出并设计了绝对探测大气温度廓线的纯转动拉曼激光雷达系统.系统采用波长532 nm且脉冲能量300 m J的激光激励源和口径250 mm卡塞格林望远镜的接收器,设计了衍射光栅和光纤Bragg光栅结合的多通道并行纯转动拉曼光谱分光系统;仿真分析氮气和氧气分子的纯转动拉曼散射谱线间关系,优化选择了6条氮气分子的纯转动拉曼谱线以直接反演大气温度,设计了两级滤光器间转接光纤阵列的结构;基于最小二乘原理推导了绝对探测大气温度的反演算法,并结合标准大气模型,分析了纯转动拉曼激光雷达绝对探测大气温度的探测性能.结果表明,所设计纯转动拉曼激光雷达系统可直接反演大气温度廓线,在测量时间17 min内,温度偏差小于0.5 K的探测高度达2.0 km.     

Input Power Conditions for Distributed Fiber Optic Temperature Sensors in Raman Optical Time-Domain Reflectometry

The critical power of the input pulse in which spontaneous Raman scattering is not seriously disturbed by stimulated Raman scattering in a fiber optic temperature sensor has been investigated experimentally and theoretically. The critical power determines the critical distance, which is nearly equal to the distance where optical time-domain reflectometry (OTDR) signal of the stimulated Raman scattering becomes maximum. From this fact, a new method to determine the critical input power with the OTDR system has been proposed, which may be applicable to most distributed fiber optic temperature sensors. It has been determined that the critical power of the input pulse is 4 watts for an infinitely long silica fiber.Presented at the International Commission of Optics Topical Meeting, Kyoto, 1994.     

Noise performance analysis of bi-directionally pumped distributed fiber Raman amplifiers with consideration of fiber nonlinearity and its impact on EDFA output OSNR

Under small-signal assumption, equivalent noise figure normalized by fiber nonlinearities (NENF) of bi-directionally pumped distributed fiber Raman amplifiers (BiDFRA) is derived. Amplified spontaneous Raman scattering noise and double Rayleigh scattering noise are both included. The relation between NENF and Raman gain, forward Raman gain percentage is investigated under different polarization factor and Rayleigh scattering coefficient. It agrees well with numerical simulation results. Based on the analytical expression, the optical signal-to-nose ratio (OSNR) improvement of hybrid pre-BiDFRA/erbium-doped fiber amplifier (EDFA) compared with sole EDFA is studied. It is shown that there is an optimum Raman gain and forward Raman gain percentage to maximize the OSNR improvement. Finally, some guidelines on BiDFRA design are proposed.