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提出了一种损耗型矢量布里渊光时域分析光纤传感技术,通过构建基于外差检测的模拟实验系统测量受激布里渊散射幅度损耗谱和相移谱,实现了50 m传感光纤的温度测量。结果表明,通过测量相移谱获得的布里渊频移与通过测量幅度损耗谱获得的布里渊频移基本一致,且均与温度呈良好的线性关系;由损耗型矢量布里渊光时域分析技术获得的布里渊频移的温度系数为1.16 MHz/℃,与传统布里渊光时域分析技术获得的1.2 MHz/℃具有良好的一致性。根据理论和实验结果,分析了损耗型矢量布里渊光时域分析光纤传感技术的优势。
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第
卷
第
期
光
学
学
报
年
月
ACTAOPTICASINICA
Se
p
tember
损耗型矢量布里渊光时域分析光纤传感技术
李 永 倩
安
琪
李 晓 娟
何 玉 钧
张 立 欣
华北电力大学电子与通信工程系
河北 保定
摘要
提出 了一 种损耗 型矢 量布里 渊光 时域分 析光 纤传感 技术
通过 构建 基于 外 差 检 测的 模 拟 实 验系 统 测 量 受
激布 里渊 散射幅 度损 耗谱和 相移 谱
实现 了
传感 光纤 的温度 测量
结果 表明
通过 测量 相移 谱 获得 的 布 里
渊频 移与 通过测 量幅 度损耗 谱获 得的布 里渊 频移基 本 一 致
且 均 与 温 度 呈 良 好 的 线 性 关 系
由 损 耗 型 矢 量 布 里
渊光 时域 分析 技 术 获 得 的 布 里 渊 频 移 的 温 度 系 数 为
与 传 统 布 里 渊 光 时 域 分 析 技 术 获 得 的
具有 良好 的一致 性
根据 理论 和实 验 结 果
分 析 了 损 耗 型 矢 量 布 里 渊 光 时 域 分 析 光 纤 传 感 技 术 的
优势
关键词
光纤光学
矢量布里渊光时域分析
受激布里渊散射
相移
外差检测
模拟实验
中图分类号
文献标识码
doi
.
AOS.
O
p
ticalFiberSensin
g
Technolo
gy
BasedonLossVectorBrillouin
O
p
ticalTimeDomainAnal
y
sis
De
p
artmento
f
ElectronicsandCommunicationEn
g
ineerin
g
NorthChinaElectricPowerUniversit
y
Baodin
g
Hebei
China
Abstract
Ke
y
words
OCIScodes敭 敭 敭
收稿日期
收到修改稿日期
基金项目
国家自然 科 学 基 金
河 北 省 自 然 科 学 基 金
中 央 高 校 基 本 科 研 业 务 费 专 项 资 金
作者简介
李永倩
男
博士
教授
主要从事光通信与光传感方面的研究工作
通信联系人
引
言
基于布里渊散射的 分 布 式光 纤 传 感 技术 具 有 测 量精 度 高
定 位 准 确 等 优 点
已 成 为 国 内 外 研 究 的 热
点
其中
基于受激布里渊散射
的布里渊光 时域分析
传感器因其 能对温度
应变进行长
距离高精度测量
在石油管道
电力电缆等设施的安全监控方面得到了广泛应用
在光纤中相向传输
频
率相差布里渊频移的激励光与探测光发生
作用时
不但会产生能量转移
而且会发生相位变化
传
光
学
学
报
统的
系统利用连续探测光和脉冲激励光之 间的
能量转移作 用
直接检测探 测光的功率
通过
改变两束光之间的频率差
得到沿光纤传输的探测光的功率谱
由于当两束光的 频率差与光 纤布里渊频 移
一致时
作用最强
探测光功率最大
因此探测光功率谱峰值对应的频率差即为光纤布里渊频移
利用
布里渊频移与温度
应变的关系即可实现沿光纤的温度
应变测量
但这种直接检 测法无法获 取探测光的 相
位信息
因此无法利用
作用的相移响应进行传感 测量
年
等
设计出一种 矢量布里渊
光时域分析
仪
成功测得 了
的相移谱
自此
基 于
相 移 的 分 布 式 光 纤 传 感 器 逐 渐 出
现
年
等
提出了基于自外差和射频同步解调 技术的
系统
实现了沿光 纤
相
移谱的分布式测量
提高了系统的信噪比
延长了传感距离
年
等
提出了一种 基于正交解 调算
法的
系统
同时测量了沿光纤的
幅度谱和相移谱
与传统
技术相比
技
术采用外差检测方案可减小光源频率漂移带来的 影响
同时可降低 系统中的低 频强度噪声 和相位噪声
在不引入其他非线性效应的条件下提高了系统的信噪比
基于以上研究
本文进一步提出一种基于损耗型
机理的
温度
应变传感技 术
在建立系
统温度
应变传感模型的基础上
搭建基于外差检 测和相移测 量的损耗型
模拟实验系 统
实现传
感光纤的温度测量
损耗型
温度
应变传感原理
与传统
系统的直接检测方法不同
系统通过引入一个与抽运光同向传输的本振光
利用外差检测实现 信号幅度和 相位的测量
损耗型
原理如图
所示
图中
E
E
和
E
分别为
光
抽运光和本振光的幅度
ν
ν
和
ν
分别为
光
抽运光和本振光的频率
ν
为光纤的布里渊
频移
ν
为抽运光与本振光之间的频率差
设置
ν
远大于布里 渊谱宽
保证本振光 不与
光发生
作用
损耗型
中
抽运光与本振光从光纤
z
端注入
光从光纤
z
L
端注入
当
光与抽运光之间的频率差在布里渊谱作用范围内时
二者 发生
作用
因
ν
ν
抽运光向
光转
移能量
抽运光被损耗的同时发生相位改变
图
损耗型
原理示意图
由光纤
z
L
端输出的检测光包含发生
作用的抽运光和不发生
作用的本振光
可表示为
E
z
ν
=
E
ν
t
H
+
E
ν
-
ν
t
式中
H
为抽运光的
传输函数
近似为
H
=
-
I
zg
+
ν
ν
æ
è
ç
ö
ø
÷
=
g
φ
其中
I
为
光强度
D
z
为光纤作用长度
g
为布里渊增 益峰值
D
ν
为布里渊谱 宽
D
ν
ν
ν
ν
为
抽运光和
光之间的频率差相对光纤布里渊频移的失谐参量
g
和
φ
分别为
作用的幅度和相
移响应
假设
g
则
式可表示为
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