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基于前向受激布里渊散射的分布式光纤传感研究

基于前向受激布里渊散射的分布式光纤传感研究

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作者：杨玉莲四川师范大学

学位级别：硕士

近年来,基于前向受激布里渊散射（FSBS）的分布式光纤传感器因能够感应光纤外界物质机械性能而成为光纤传感领域的前沿热点。FSBS产生的独特横向声共振,不仅能实现对温度、应变的测量,还能探测光纤外部介质材料声阻抗,在液体检测、纳米... 详细信息

近年来,基于前向受激布里渊散射（FSBS）的分布式光纤传感器因能够感应光纤外界物质机械性能而成为光纤传感领域的前沿热点。FSBS产生的独特横向声共振,不仅能实现对温度、应变的测量,还能探测光纤外部介质材料声阻抗,在液体检测、纳米精度包层直径测量等方面具有很好的应用潜力。本文从声波导布里渊散射（GAWBS）及FSBS基本理论出发,阐述了基于FSBS的分布式液体声阻抗测量原理;提出一种基于FSBS二阶本地增益谱提取的分布式声阻抗传感后处理新方法;并对光力时域分析传感实验进行优化研究,探讨了光纤非线性对FSBS分布式传感的影响及其物理机理。主要研究内容与创新点总结如下:（1）提出基于二阶边带解调本地谱的FSBS分布式声阻抗传感新方案。现有的报道都是基于一阶边带提取FSBS本地增益谱,我们实验发现:由于FSBS感应的交叉相位调制（XPM）高阶边带造成能量消耗,使得一阶边带增益谱在经历一定距离后出现大幅度饱和,进而使传感距离受到限制。为此,我们引入一种新的二阶边带解调方案,脉冲能量可以更加深入光纤内部,在保持空间分辨率较好的情况下,使信噪比和传感距离得以有效提高。最终,联合一阶与二阶边带解调,在1630 m长标准单模光纤中,实现了20 m空间分辨率液体声阻抗传感。该工作对于分布式前向布里渊传感器的距离延伸具有重要意义。（2）以光力时域分析（OMTDA）传感器为例,实验研究了非线性效应对FSBS分布式传感的影响,并给出了优化途径。FSBS的产生由于增益系数低,需要较高的脉冲功率（可达到W级）进行激发,由于读取脉冲光与散射光同向传输特性,高功率脉冲将诱发FSBS传感系统中各种非线性效应。借鉴前人激活-读取分离技术,可有效避免激活脉冲非线性效应的影响,然而读取脉冲的非线性效应对传感性能有着直接影响。基于此,我们研究了不同读取脉冲功率条件下,非线性效应对FSBS传感性能的影响及其物理机理。研究发现:由于同向传输导致的自动波矢匹配特性,激活脉冲调制不稳定性（MI）边带与受激拉曼散射（SRS）斯托克斯边带的双频脉冲分量对FSBS感应声场仍具有相干作用,因此激活脉冲的MI和SRS对FSBS的激发无明显影响;高功率读取脉冲条件下,读取脉冲的高频与低频功率分布、以及提取的FSBS本地谱表现出严重的频移非对称性,克尔四波混频（Kerr-FWM）与级联的FSBS效应使得不同边带之间产生复杂的能量转移,从而加剧了上述非对称性。通过研究4.7 km SMF中,一、二阶散射边带随读取脉冲功率的演化过程,我们找到了优化区间,得到较为完美的FSBS本地增益谱,并且延长了传感距离。

关键词：光纤传感声波导布里渊散射（GAWBS）前向受激布里渊散射（FSBS）分布式声阻抗传感

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基于前/后向受激布里渊散射的分布式光纤传感研究

基于前/后向受激布里渊散射的分布式光纤传感研究

引用

作者：林佳兵四川师范大学

学位级别：硕士

基于后向受激布里渊散射(BSBS)的分布式光纤传感因其优异的传感特性而备受关注,其传感距离可达上百千米,空间分辨率可精确至厘米量级,目前主要的发展方向是实现快速测量和动态响应。近年来兴起的声阻抗光纤传感器,因其利用前向受激布里... 详细信息

基于后向受激布里渊散射(BSBS)的分布式光纤传感因其优异的传感特性而备受关注,其传感距离可达上百千米,空间分辨率可精确至厘米量级,目前主要的发展方向是实现快速测量和动态响应。近年来兴起的声阻抗光纤传感器,因其利用前向受激布里渊散射(FSBS)独特的横向声波,不仅能检测温度和应变,还能探测光纤外围的液体声阻抗,实现化学物质的分辨,这在油气勘探、水污染监测、化工监测等液体检测方面具有重要的应用潜力。针对FSBS传感这一新领域,本文梳理和总结了其理论基础;提出一种基于FSBS分布式布里渊放大(DBA)的布里渊光时域分析(BOTDA)信号增强新方案;对基于FSBS的分布式声阻抗传感进行了优化研究。此外,本论文还设计实现了融合双带宽泵浦与光啁啾链(OCC)的无扫频超长BOTDA。研究内容总结如下:(1)提出基于FSBS-DBA的分布式传感信噪比增强新方案。基于BSBS的分布式布里渊放大(DBA)因其能有效地提升传感距离和信噪比而广为人知,然而其放大范围主要局限在光纤后端。针对该问题,本文首次将FSBS应用于BOTDA实现长距离脉冲放大。斯托克斯脉冲在光纤前端得到了有效放大,且能实现较为平坦的增益分布。作为概念验证,基于FSBS-DBA方案实现了～74.2 km传感距离和～10 m空间分辨率,布里渊频移(BFS)标准差全程小于～2 MHz。该方案与BSBS-DBA互补,且泵浦效率相比传统的分布式拉曼放大(DRA)更高。(2)对FSBS分布式声阻抗传感进行了优化研究。借鉴前人激发和探测脉冲分离的思路,使激发脉冲产生FSBS横向声场,读取脉冲探测交叉相位调制(XPM),同时结合注入锁定稳定探测光的功率。利用BOTDA测量技术,合理选择BFS失谐量,抑制了零阶边带偏振噪声影响,获得了去涂覆层光纤在空气、水和无水乙醇中的FSBS本地谱,基于一阶边带增益谱实现了～635 m传感距离和～15 m空间分辨率,这对于FSBS声阻抗传感器的距离延伸有一定的参考价值。(3)快速感知是分布式光纤传感发展的一个关键方向。采用BSBS-DBA技术,只需毫瓦级泵浦功率就可以实现100 km以上的温度/应变传感。本课题组前期报道了一种基于直接解调注入锁定双带宽泵浦的超长DBA-BOTDA方案,基于单频点100次平均实现了～148.3 km传感范围和～5 m空间分辨率。但是耗时的扫频使之难以实现快速响应。针对该问题,本文在此基础上结合啁啾链(OCC)技术实现了无扫频快速测量。此方案中,双带宽泵浦自适应补偿了脉冲损耗;注入锁定几乎完全抑制了寄生调幅噪声;使用调频泵浦有效抑制了非本地效应,允许探测输入功率增强至～9.7 d Bm。最终,在无扫频和200次平均条件下,完成一次测量只需～0.3 s。

关键词：前向受激布里渊散射(FSBS) 后向受激布里渊散射(BSBS) 分布式声阻抗传感布里渊光时域分析(BOTDA) 分布式布里渊放大(DBA)

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