基于受激布里渊散射的分布式光纤传感器研究

• 作 者: 王晟
• 机 构: 北京邮电大学
• 出 处: 北京邮电大学
• 发表日期: 2020年01期
• 关键词: 受激布里渊散射 分布式光纤传感 非本地效应 高空间分辨率

分布式光纤传感技术由于体积小、成本低、抗电磁干扰等优势已经被广泛地应用于能源安全、结构监测、智慧城市等领域。在现有的各种技术中,布里渊光时域分析技术（BOTDA）以其在超长光纤上实现了高空间分辨率测量的能力而受到广泛关注。然而在BOTDA系统中,受限于非本地效应及受激布里渊效应,探测光功率难以进一步提升,极大地限制了系统的传感性能;当使用的脉冲宽度小于12纳秒时,声子的不完全激发会导致测量得到的布里渊增益谱（BGS）展宽并且峰值增益降低,因此空间分辨率难以突破1米;长距离BOTDA系统中噪声主要来源于接收端,而探测结构对系统性能的影响还不清晰;此外,BGS的线宽影响了系统的测量精度,而目前的BGS线宽压缩方案中固定的空间分辨率限制了系统的灵活性。为了解决BOTDA系统中的诸多瓶颈,进一步地提升BOTDA的性能,论文展开了以下方面的研究:1)深入研究了固定双频探测光BOTDA系统的鲁棒性,研究发现当传感光纤的布里渊频移（BFS）分布不均匀时,在光纤的前段会遭受非本地效应,导致严重的BFS拟合误差。为了解决这一问题,论文提出了利用两个探测器同时测量探测光的高频边带与低频边带,利用布里渊增益谱与损耗谱的平均来消除非本地效应的负面影响。此外,论文通过实验研究了不同探测光入射功率下脉冲以及布里渊增益/损耗谱的畸变,结果表明利用所提出的方案可以在固定双频探测光BOTDA系统中将探测光功率从-8 dBm/边带提升至0 dBm/边带。另外,论文还提出并验证了基于频移键控（FSK）调制探测光的BOTDA系统,该技术中探测光受到频移键控信号的调制,将探测光的入射功率提高到5 dBm。利用该技术,泵浦脉冲在扫频过程中的畸变在时域上被FSK信号补偿。利用105千米长的传感光纤,在2米空间分辨率下对该技术进行了实验验证。此外,该方案对布里渊频移（BFS）分布不均匀的传感光纤具有很好的兼容性。2)建立了直接探测BOTDA系统中的信噪比模型,并进行了实验验证。理论分析和实验结果表明提高探测光到达光电探测器的功率有利于提高信噪比,将预放大的直接探测方案、高质量的光电探测器以及滤波技术相结合,可以实现直接探测BOTDA系统中的最高信噪比。与需要通过相对复杂的装置来实现的理想散粒噪声极限情况相比,此时的最佳信噪比仅表现出2.3 dB的损失。本文所建立的模型能够在任何给定的实验条件下,对任意光纤位置的信噪比进行理论评估和预测。此外,论文研究了光纤参数对于BOTDA系统中信噪比的影响,研究结果表明光纤的衰减系数对于长距离传感具有重要影响,而光纤的有效纤芯面积的影响可以忽略,利用低损耗光纤在普通的双边带BOTDA系统中实现了 2米空间分辨率下100千米的传感距离。3)提出了利用差分脉冲对在BOTDA系统中同时实现压缩BGS线宽以及调节空间分辨率。通过合理地设置脉冲的相位和幅度,与传统的单脉冲方案相比,在相同的空间分辨率下实现了更窄的BGS线宽以及更高的布里渊增益。论文对不同空间分辨率下的脉冲参数进行了解析求解并对传感器的性能进行了实验验证。实验结果表明,在2米空间分辨率和1米空间分辨率两种情况下,BGS的线宽分别缩小至19 MHz和22 MHz,频率精度分别提高了 2.3倍和4.3倍。此外,论文还研究了该方案在小的热点BFS变化时的优势以及实现亚米级空间分辨率的传感能力。4)提出了一种从单个长脉冲BOTDA系统测量结果中恢复灵活可变空间分辨率的后处理算法。利用该方案消除了声子瞬态效应的负面影响,使得布里渊响应与空间分辨率成正比并且BGS线宽接近于布里渊本征谱线宽。这一特性使得该方案在不影响传感范围以及测量时间的前提下,对于高空间分辨率场景能够实现更好的传感性能。利用该方案在10千米长的传感距离下实现了 10厘米的空间分辨率。此外,该方案还具有实验结构简单、数据处理时间短以及长时间测量稳定等优势。