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长距离分布式光纤传感技术研究进展.pdf

发布时间：2022-06-13 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.46M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    1长距离布里渊光时域分析仪(BOTDA)研究进展
    1.1 长距离BOTDA发展历程回顾
    Table 1
    1.2 基于环形腔随机光纤激光放大的BOTDA
    Fig 1
    Fig 2
    Fig 3
    Fig 4
    1.3 基于随机光纤激光与低噪声LD混合放大的BOTDA
    Fig 5
    Fig 6
    Fig 7
    Fig 8
    Fig 9
    2长距离相位敏感型光时域反射仪(-OTDR)
    2.1 长距离-OTDR的国内外发展历程 回顾
    Table 2
    2.2 基于双向一阶拉曼放大的-OTDR
    Fig 10
    Fig 11
    Fig 12
    2.3 基于分区型混合放大的-OTDR
    Fig 13
    Fig 14
    Fig 15
    Fig 16
    Fig 17
    Fig 18
    Fig 19
    3长距离分布式光纤传感系统的应用
    3.1 基于-OTDR的列车定位与测速 系统
    Fig 20
    Fig 21
    Fig 22
    Fig 23
    Fig 24
    3.2 基于DAS的石油管道安全监测系统
    Fig 25
    Fig 26
    Fig 27
    Fig 28
    Fig 29
    4总 结
    References
    Abstract
    长距离分布式光纤传感技术研究进展 饶云江 Recent progress in ultra-long distributed fiber-optic sensing Rao Yun-Jiang 引用信息 Citation: Acta Physica Sinica, 66, 074207 (2017) DOI: 10.7498/aps.66.074207 在线阅读 View online: http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.074207 当期内容 View table of contents: http://wulixb.iphy.ac.cn/CN/Y2017/V66/I7 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 锥柱型光纤探针在表面增强拉曼散射方面的应用 Application of cone-cylinder combined fiber probe to surface enhanced Raman scattering 物理学报.2017, 66(4): 044208 http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.044208 环绕空气孔结构的双模大模场面积多芯光纤的特性分析 Dual-mode large-mode-area multi-core fiber with circularly arranged airhole cores 物理学报.2017, 66(2): 024210 http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.024210 基于色散效应的光纤光栅高速高精度解调方法研究 High speed and high precision demodulation method of fiber grating based on dispersion effect 物理学报.2017, 66(1): 014206 http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.014206 基于偏振延时干涉技术的光子波形产生技术研究 Photonic microwave waveform generation based on polarization delay interference 物理学报.2016, 65(22): 224203 http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.224203 少模光纤的弯曲损耗研究 Study on bending losses of few-mode optical fibers 物理学报.2016, 65(6): 064208 http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.064208
    物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 66, No. 7 (2017) 074207 专题: 光纤传感 长距离分布式光纤传感技术研究进展 饶云江y (电子科技大学, 光纤传感与通信教育部重点实验室, 成都 611731) ( 2017 年 1 月 19 日收到; 2017 年 3 月 10 日收到修改稿 ) 分布式光纤传感技术是光纤传感领域的重要组成部分, 具有以下突出优势: 无需在光纤上制作传感器, 传感光纤集传感与传输于一体, 可实现远距离、大范围的传感与组网; 可连续感知光纤传输路径上每一点的温 度、应变、振动等物理参量的空间分布和变化信息, 单根光纤上能获得多达数万点的传感信息. 由于在长距离 连续传感方面具有不可替代的优势, 分布式光纤传感技术在周界安防、石油电力、大型结构等领域的安全监控 方面具有非常广阔的应用前景. 本文主要介绍电子科技大学光纤传感与器件研究团队在长距离分布式光纤静 (布里渊光时域分析仪)、动 (相位敏感型光时域反射仪) 态参量传感技术取得的研究进展, 包括基础与应用研 究两个方面. 关键词: 光纤光学, 光纤传感器, 光纤激光器, 随机激光 PACS: 42.81.–i, 42.81.Pa, 42.55.Wd, 42.55.Zz DOI: 10.7498/aps.66.074207 1 长 距 离 布 里 渊 光 时 域 分 析 仪 (BOTDA) 研究进展 1.1 长距离BOTDA 发展历程回顾 BOTDA 最 初 由 Horiguchi 和 Tateda [1] 提 出. BOTDA 信 噪 比 高、测 量 距 离 远、精 度 高, 已 受 到各国研究者的普遍重视及深入研究 [24]. BOTDA 距离延伸与精度提高是相互制约的, 其原因不仅与光纤损耗导致的信噪比降低有关, 还 与探测光对抽运脉冲消耗所致的非局域效应 (non- local effect) 有关 [5], 即: 抽运光脉冲沿光纤传播时, 峰值功率与本地布里渊频移相关, 导致光纤末端布 里渊增益谱出现多峰结构, 即前端信息串扰至后 端. 这一效应随传感距离增加会恶化. 因此, 长距 离 BOTDA 应在提高信噪比、克服非局域效应找到 突破口. 在提高 BOTDA 信噪比方面, 文献 [6—12] 提 出光脉冲编码技术改进信噪比, 并取得了可喜的 进展. 该方案中, 首先在发射端对发送的抽运光 脉 冲 进 行 编 码 (如 Simplex 码), 接 收 端 则 用 快 速 Hadamard 反变换解码. 与单一的累加平均相比, 在相同平均次数条件下, 可取得更高的信噪比. 早 期研究集中于非归零码, 为避免其中连 “1” 码引起 的布里渊增益谱形变, 2010 年 1 月, Soto 等 [8] 报道 了采用归零编码, 在 50 km 传感光纤上取得 1 m 空 间分辨率、2.2 ◦C 精度的结果. 总之, 经过近几年 发展, 光脉冲编码已成为一种高效的改进信噪比 途径. 另一种改进 BOTDA 光信噪比的方案是分布 式拉曼放大 [1318]. 2010 年 6 月, 本课题组提出该 方案, 实验获得了 75 km 传感距离、10 m 空间分辨 率、±0.6 ◦C 测量精度 [13]. 2011 年 4 月, 电子科技大 学研究小组 [14] 将 127 bit 光脉冲编码融入到基于 一阶拉曼放大的 BOTDA, 空间分辨率达到 2.5 m, 同时传感距离达到 74.6 km, 测量精度为 ±1 ◦C. 国家自然科学基金重大项目 (批准号: 61290312)、国家自然科学基金重大仪器项目 (批准号: 41527805)、教育部创新团队项目 (批准 号: IRT1218) 和 “111” 学科创新引智基地计划 (批准号: B14039) 资助的课题. † 通信作者. E-mail: yjrao@uestc.edu.cn © 2017 中国物理学会 Chinese Physical Society 074207-1 http://wulixb.iphy.ac.cn
    物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 66, No. 7 (2017) 074207 与此同时, Rodríguez-Barrios 等 [15] 采用一阶拉曼 放大取得 75 km 传感、测量精度为 3 ◦C 的实验成 果; Martin-Lopez 等 [16] 将此方法推广至二阶拉曼 放大, 并于 2010 年 8 月报道了 100 km 传感距离、 2 m 空间分辨率的实验结果. 为抑制拉曼放大中 抽运 ——信号相对强度噪声转移的问题, 2011 年 2 月, Soto 等 [17] 报道了利用低噪声半导体激光器抽 运延伸传感距离、提高空间分辨率的方法. 总之, 分 布式放大在大于 100 km BOTDA 距离延伸方面具 有较大潜力. 在克服 BOTDA 非局域效应方面 [1921], Bao 研究组 [19] 提出频分复用 (FDM) 方法. 该方案将 多段具有不同布里渊频移的传感光纤串联起来, 扫 描整段光纤布里渊增益谱. 扫频时, 仅当频移量 与对应光纤布里渊增益谱峰值频率相等时, 抽运 才与探测光作用, 以抑制非局域化. 实验获得了 1.5 ◦C 温度精度、2 m 空间分辨率的长距离传感. 另一种克服非局域化的途径是时分复用 (TDM) 方 法 [20;21]. 2011 年初, Dong 等 [20] 报道了该方案. 与 传统BOTDA 不同的是, 抽运光与探测光均被调制, 改变抽运与探测光之间的时延量, 可对特定光纤段 进行选取, 而探测光脉宽决定了所选取光纤段长 度. 总体而言, FDM 及 TDM 是两种较为有效的抑 制非局域化的方案. 2012 年, 电子科技大学研究团队在系统研究随 机光纤激光 (random fiber laser, RFL) 特性的基础 上, 首次提出了基于随机光纤激光的分布式拉曼 放大 (DRA) 新概念, 随后将其成功应用于分布式 光纤传感距离的提升, 两次刷新了无中继 BOTDA 的传感距离世界记录 (分别为 142.2 km (±1.5 ◦C; 5 m), 154.4 km (±1.4 ◦C; 5 m)). 表 1 长距离 BOTDA 研究进展 (蓝色字体为项目组研究成果) Table 1. The research progress of long-distance BOTDA. 序号 期刊时间 作者 技术 实际距离/km 分辨率/m 精度 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 OL, 2010 OL, 2010 Liang et al. Soto et al. JLT, 2010 Jia et al. JLT, 2010 Barrios et al. OE, 2010 Lopez et al. 差分脉冲对 (DPP) 光脉冲编码 (OPC) 一阶 DRA 一阶 DRA 二阶 DRA PTL, 2011 Jia et al. 一阶 DRA+OPC OE, 2011 OL, 2011 OL, 2011 Soto et al. Soto et al. Dong et al. JLT, 2012 Dong et al. OFS, 2012 Vinuesa et al. PTL, 2012 Soto et al. 一阶 DRA 预放 TDM FDM+ 中继 二阶 DRA+OPC 一阶 DRA+OPC JLT, 2012 Vinuesa et al. 一阶 DRA OE, 2012 Vinuesa et al. 一阶 DRA+DPP OE, 2013 Hu et al. 相干检测 MST, 2013 Taki et al. 一阶 DRA+DPP+OPC OFS, 2012 Jia et al. 基于 RDFB-FL 抽运的 DRA+OPC OE, 2013 OE, 2013 Jia et al. 基于环形随机激光抽运的 DRA+OPC Jia et al. 混合 DRA+OPC 50 50 75 75 100 74.6 120 120 100 150 120 120 100 100 72 93 122 142.2 154.4 ICOCN, 2016 Qian et al. 混合 DRA+OPC+W-PCA+NLM 157.68 0.5 1 10 2 2 2.5 2 3 2 2 5 1 2 0.5 5 0.5 4 5 5 8 074207-2 0.7 MHz/12 " 2.2 ◦C/44 " ±0:6 ◦C ±1 ◦C 2.1 ◦C/45 " 3.1 ◦C/60 " ◦C ±2 MHz/±2 1.5 ◦C/30 " 1.9 ◦C/38 " 1.3 ◦C/26 " 1.2 ◦C 2.9 ◦C 1.8 ◦C 1.7 ◦C/34 " ±1 ◦C ◦C ◦C ◦C ±1:5 ±1:4 ±0:65
    物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 66, No. 7 (2017) 074207 2016 年初, Soto 等 [22;23] 报道了运用数字图像 处理技术 (非局域均值滤波) 提升 BOTDA 的信噪 比, 在 50 km 传感光纤实验中实现了高达约 14 dB 的信噪比提升. 随后, 本课题组将非局域均值滤波 技术 (non-local means, NLM) 与分布式放大和脉 冲编码技术进行结合, 并提出了基于主成分分析的 BOTDA 噪声分析技术, 提升了 NLM 方法的适应 性和降噪性能, 实现了 157.68 km (±0.65 ◦C; 8 m) 无中继 BOTDA [24;25]. 表 1 列出了迄今为止长距离 BOTDA 的研究进展. 外, 实验观察到 1464 nm 激射峰有强烈展宽, 这 种展宽与大量激射模式的四波混频 (FWM) 作用 有关. 特别地, 系统设计中省去了窄带滤波器件 (WDM 的 1455 nm 端口带宽约为 20 nm), 从而抑 制了非线性谱展宽对抽运效率的影响. 这一特点与 基于线形腔的 UL-FL 光放大有显著区别. 对于线 形腔而言, FBG 典型带宽为 <0.5 nm, 受光谱展宽 影响, 位于 FBG 带宽的能量被透射, 使得激射效率 受到一定影响 [28]. 1.2 基 于 环 形 腔 随 机 光 纤 激 光 放 大 的 BOTDA 大部分情况下, 基于超长光纤激光器 (UL-FL) 抽运的 DRA 为线形腔结构. 事实上, DRA 也可通 过环形腔实现. 基于环形腔 UL-FL 抽运的 DRA 最初由 Stentz 及 Nielsen 等提出. 他们在 1.3 m 波 段实现了 8×10 Gbit/s 信号的 141 km 无中继光传 输 [26]. 但针对其放大特性 (包括开关增益、增益分 布、有效噪声指数、非线性损伤) 的研究尚未见报 道. 本小节在阐述环形腔 UL-RFL 抽运的新 DRA 结构的基础上, 研究其基本放大特性. 此外, 将该 方案应用于超长距离 BOTDA 分布式传感, 实现 了 142.2 km 无中继传感距离、5 m 空间分辨率及 ±1:5 ◦C 温度不确定度. 图 1 给出了环形腔 UL-RFL 抽运的二阶 DRA 基本结构及实验装置图, 图中示出了前向抽运 [27]. 图 2 不同抽运功率条件下的 RFL 激射光谱及开关增益 (a) 激射光谱; (b) 开关增益 Fig. 2. RFL lasing spectrum (a) and on-off gain (b) for different input pumping power. 图 2 (b) 给出了不同抽运功率条件下的开关增 益, 测量过程中 1550 nm 输入信号功率为5 dBm, 调节 1366 nm 抽运功率以达到期望增益. 由图可 知, 超过激射阈值 ( 30:9 dBm) 后, 开关增益随抽 运功率的增长而增大. 注意到前向与背向抽运条 件下, 抽运功率一定时, 激射光平均功率值相同, 因而具有相同的开关增益. 另外, 透明传输对应于 29 dB 开关增益或34.2 dBm 抽运功率. 以 BOTDA 为例, 探讨该方案在超长距离分 布 式 传 感 中 的 应 用, 实 验 装 置 如 图 3 所 示. 传 感 光 纤 由 三 段 组 成, 总 长 为 142.2 km, 每 段 具 有 略 微 不 同 的 布 里 渊 频 移 (BFS). 几 段 光 纤 的 图 1 基于环形 UL-RFL 的二阶 DRA 系统结构及实验装 置 Fig. 1. System structure and experimental setup for forward pumping DRA using UL-RFL withring cavity. 图 2 (a) 给出了不同抽运功率条件下的 RFL 激 射光谱. 由图可知, 抽运功率较低 (30.5 dBm) 时, 激射波长位于拉曼增益谱第一峰处 (1454 nm). 随 着抽运功率升高, 1454 nm 峰值逐步降低, 这是由 于短波长能量向长波长 (1462 nm) 转移的缘故. 此 074207-3 Z=0Z=LWavelength/nmInput power of primary pump/dBmOn-off gain/dBRelative spectral density/dB(a)(b)
    物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 66, No. 7 (2017) 074207 布 里 渊 频 移 差 远 小 于 布 里 渊 增 益 谱 (BGS) 宽 度 ( 39—56 MHz), 以确保 SBS 最大化. 加热点位于 光纤末端 142.152 km 处, 其温度变化量为 40 ◦C. 将 加 热 前 后 经 洛 伦 兹 拟 合 的 峰 值 布 里 渊 频 移 相 减, 可 得 出 整 段 传 感 光 纤 温 度 分 布, 如 图 4 (a) 所示. 计算标准差分布可知, 最大测量不 ◦C (位于信噪比 (SNR) 最低的 确定度约为 ±1:5 110—130 km), 0—94.5 km 区间的增益较大, 对 应的测量不确度定也较低. 图 4 (b) 示出了约 5 m 热点附近的温度分布. 实验得出的 40 ◦C 左右温度 变化与实际温度符合较好. 分析半值全宽可知, 系 统实际空间分辨率约为 5 m. 该方案通过合理的系统设置, 使得抽运探测相 对强度噪声 (RIN) 转移得到有效降低; 另一方面, 相对于常规一阶 DRA, 受二阶抽运作用, 增益峰值 深入至 >40 km 处, 显著拓展了系统末端高信噪比 的范围. 图 3 基于环形腔 UL-RFL 抽运的 142.2 km BOTDA 实验装置 Fig. 3. Experimental arrangement of BOTDA using UL-FL based DRA with ring cavity. 图 4 实验提取的光纤温度分布 (a) 整段传感光纤; (b) 5 m 加热点附近 Fig. 4. (a) Retrieved temperature distribution after Lorentzian fitting along sensing fiber; (b) zoomed view of temperature distribution around 5 m hot-spot. 1.3 基于随机光纤激光与低噪声LD 混合 放大的BOTDA 基于单一 RFL 抽运的前向 DRA 具有较低的 噪 声 指 数, 应 用 该 方 案 已 实 现 122 km 分 布 式 传 感. 但由于随机激光的产生由瑞利散射提供分布 反馈, 而标准单模光纤的瑞利散射系数极其微弱 ( 4:5 10 5 km1), 导致此方案抽运效率较低 (需瓦级抽运功率). 在更长距离的光传输/传感系 统中, 过高的抽运功率肯定会引入非线性问题. 为 解决该问题, 该小节介绍一种融合随机光纤激光二 阶抽运与低噪声激光二极管 (LD) 一阶抽运的混合 074207-4 Distance/kmDistance/kmTemperature/CTemperature/C(a)(b)
    物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 66, No. 7 (2017) 074207 DRA 方案, 并介绍其增益特性. 若将该方案应用 于超长距离 BOTDA, 传感距离可延伸至 154.4 km, ◦C. 这 并保持空间分辨率为 5 m, 测量精度为 ±1:4 是目前国际上 BOTDA 的最长无中继传感距离. 融合 RFL 二阶抽运与低噪声 LD 一阶抽运的 混合 DRA 方案如图 5 所示. 将两个输出功率相 同的 1455 nm 高功率低噪声 LD 通过偏振合束器 (PBC) 组合, 构成退偏的一阶抽运, 避免偏振相关 增益引起的增益起伏. 此处一阶抽运通过 WDM2 注入光纤, 噪声指数及增益分布分别由 OTDR 及 OSA 测得. 下面着重分析混合 DRA 与常规一阶双 向 DRA 的区别 [29]. 图 5 融合 RFL 二阶与 LD 一阶抽运的混合 DRA 结构与实验装置 Fig. 5. Principle and experimental setup of proposed H-DRA formed by RFL and 1st-order pumping. 图 6 不同开关增益及抽运方式条件下的增益分布 (a) 混合抽运; (b) 双向一阶抽运 Fig. 6. Gain distribution under various on-off gains: (a) Hybrid pumping; (b) bi-directional 1st-order pumping. 图 6 所示为不同开关增益条件下混合抽运及 一阶双向抽运的增益分布, 可以看出, 随着开关增 益的增加, 在二阶抽运作用下, 混合抽运峰值增益 逐渐深入至光纤约 40 km 处. 而类似开关增益条 件下, 常规一阶双向抽运的峰值增益位于约 20 km 处. 这一特点显著提升了光纤末端 SNR, 并延伸传 输/传感距离. 图 7 给出了融合随机光纤激光与一阶低噪声 LD 混合抽运的长距离 BOTDA 实验装置, 布里渊 抽运光谱结构相对于探测光两边带完全对称, 由 于布里渊抽运既受到 Stokes 光损耗, 同时受到反 Stokes 光增益作用, 这样布里渊抽运峰值功率沿 光纤的消耗得到有效控制, 从而抑制了非局域效 应. 引入 Simplex 编码技术提升 SNR, 编码长度为 255 bits, 编码增益为 9.1 dB. 探测光与低噪声 LD 同向传输可有效抑制抽 运 - 探测 RIN 转移, 图 8 给出了不同抽运条件下解 码前的布里渊轨迹. 两者采用相同平均次数 (256), 其中一阶 DRA 使用高功率 FRL 抽运. 可以看出, 常规一阶双向抽运表现出明显的噪声起伏, 严重 影响传感精度; 而采用混合抽运结构, 完全抑制了 RIN 转移引起的强度噪声. 注意尽管 1366 nm 抽运 具有较大的强度噪声, 但由于该光束与探测光反 向传输, 在群速度走离作用下, RIN 转移带宽得到 明显降低 (kHz 量级) [30]. 实验所用光纤经过重新 盘绕, 在附加应变作用下, 图中不同光纤连接处出 现幅度变化. 传感光纤由布里渊频移轻微不同 (约 10.882, 10.870, 10.867, 10.870 GHz) 的四段光纤组 成, 其熔接点位于 11:965, 60.389 及 106.772 km 处. 这里并未使用 FDM 技术 (布里渊频移差值远 小于布里渊增益谱 35—60 MHz 半值全宽), 以确保 最大 SBS 作用. 074207-5
    物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 66, No. 7 (2017) 074207 图 7 融合随机激光与一阶低噪声 LD 混合抽运的长距离 BOTDA 实验装置 Fig. 7. Experimental setup of long-distance BOTDA with H-DRA incorporatingRFL and 1st-order pumping. 图 8 不同抽运下解码前的布里渊轨迹 (a) 混合抽运; (b) 双向一阶抽运 Fig. 8. Brillion traces without decoding: (a) Hybrid pumping; (b) bi-directional 1st-order pumping. 图 9 (a) 给出了传感光纤远端 110—154.4 km 范围经解码的布里渊增益谱. 测试过程中, 光纤末 端 154.334 km 处约 5 m 光纤置于温控箱中, 其温度 变化为 30 ◦C, 室温为 26.2 ◦C. 为抑制自相位调制 (SPM) 及调制不稳定 (MI) 引起的非线性谱展宽, 布里渊抽运峰值输入功率 ( 2:5 dBm) 及拉曼抽运 输入功率 (1366 nm 主抽运为 33.7 dBm, 1455 nm LD 抽运为 26 dBm) 均做了优化. 考虑到非局域效 应, 探测输入功率 (16 dBm) 也做了优化. 采集到 的布里渊轨迹解码前做 16 次预平均, 因此, 等价平 均总次数为 4080. 可以看出, 整段光纤均表现出较 高的信噪比. 此外, 在 5 m 加热点存在明显的布里 渊频移变化. 图 9 (b) 给出了光纤不同位置 (10, 30, 50, 70, 90, 110, 130 及 150 km) 经解码的布里渊增益谱. 图 例给出了增益谱半值全宽. 可以看出, 布里渊增益 谱宽控制在 35—60 MHz 范围内. 此外, 由于采 用了双边带调制及做了输入功率优化, 全程未出现 非局域化引起的多峰结构及增益谱变形, 表明抽运 消耗得到完全抑制. 单 一 RDFB-FL 抽 运 的 DRA 抽 运 效 率 较 低 (需瓦级抽运功率), 主要原因在于 SMF 的瑞利散 射系数较低. 过高的抽运功率注入将引起非线性 问题. 为克服这一问题, 本小节将低噪声 LD 一阶 抽运与随机激光二阶抽运融合, 构成一种新型混 合 DRA 结构. 该方案不仅具有较高的抽运效率, 还保留了二阶随机激光抽运较低的噪声指数特性 (优于双向一阶抽运 0—4 dB). 进一步, 将该方 074207-6 λ
    物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 66, No. 7 (2017) 074207 案应用于超长距离 BOTDA, 在不牺牲空间分辨率 ◦C) 的前提下, 使无 (5 m) 及测量不确定度 (±1:4 中继传感距离延伸至 154.4 km, 创造了当时国际上 BOTDA 的最长无中继传感距离. 这一结果的获取 主要归因于: 1) 较高的抽运效率避免了抽运功率过 高引入的非线性问题; 2) 二阶随机激射抽运使峰值 增益更深入光纤内部, 确保了光纤远端信噪比; 3) 低噪声 LD 一阶抽运的引入克服了抽运 -探测 RIN 转移. 图 9 经解码的 110-154.4 km 布里渊增益谱: (a) 传感光纤远端; (b) 不同位置处 Fig. 9. (a) Decoded BGS vs distance and frequency shift at the far end; (b) decoded BGS at various positions. 该方案具有较高的抽运效率, 避免了抽运功率 过高引入的非线性损伤; 其有效噪声指数低于常规 双向一阶 DRA 0—4 dB; 具有更好的增益平坦度 以确保全程信噪比均衡性; 能有效抑制抽运 -探测 RIN 转移以提升系统信噪比. 2 长距离相位敏感型光时域反射仪 (-OTDR) 2.1 长距离 -OTDR 的国内外发展历程 回顾 早在 1993 年, 美国 TAMU 的 Taylor 和 Lee [31] 就发现, 在光纤中注入超窄线宽激光脉冲后, 利 用外界振动对后向瑞利散射光相位的调制特性, 可以进行振动测量; 基于此, 他们申请了关于 - OTDR 的 首 个 美 国 专 利. 从 专 利 名 字 就 可 以 看 出, 最初 Taylor 把 -OTDR 定位为一种入侵监测 系统, 而早期的应用探索也确实集中在入侵监测 领域 [3234]. -OTDR 的前期研究方向主要集中 在其传感机理的研究上. TAMU 的 Park 等 [34] 将 -OTDR 的基本理论模型抽象为: 将光纤分成 N 段, 每小段的空间宽度为单位 ∆L, 将 ∆L 分为 M 个由瑞利散射产生的离散的反射镜, 且每个反射镜 的反射率和造成的相位延迟都是随机的独立分布, 该模型解释了 -OTDR 的物理规律, 并通过实验 验证了该模型的有效性. 哈尔滨工程大学的吕月兰 和行永伟 [35] 研究了影响 -OTDR 波形的各种物 理参数 (折射率、激光频率和脉宽等) 变化时的相应 瑞利散射波形, 通过理论分析和实验得到上述诸参 数对瑞利散射波形的影响. 在 -OTDR 的关键光 学器件研究方面, TAMU 的 Choi 等 [36] 研究了激光 器的线宽和频漂对系统传感性能的影响, 而他们研 制出的掺铒光纤激光器可基本满足实际需求. 在解决上述问题之后, 在保持较高空间分辨率 的基础上, 如何延伸传感长度成为 -OTDR 研究 方向的难题. 由于 -OTDR 利用光纤中的瑞利散 射效应, 其散射强度非常微弱, 并且随传感距离的 延伸, 传感信号强度呈指数衰减, 使长距离的瑞利 散射信号探测更加困难. 传统的 -OTDR 可以通 过掺铒光纤放大器 (EDFA) 提高入纤抽运功率来提 高瑞利散射信号强度, 但入纤功率受限于 SBS 的影 响, 必须小于 SBS 阈值 [37]. 在此限制下, -OTDR 的极限长度只能达到 25 km (35 m 空间分辨率) [33]. 为了克服这一限制, 在第 20 届 OFS 会议上, 分布 式放大的概念被引入到 -OTDR 中, 从前向和后 向两个方向上利用一阶拉曼抽运对抽运光和信 号光进行放大, 成功地将传感长度延伸到 62 km (100 m 空间分辨率) [39]. 进一步, 西班牙 Alcalá 大 学的 Martins 等 [38] 利用一阶双向拉曼放大的思路, 利用半导体光放大器 (SOA) 和光开关提高了入射 074207-7 Distance/kmFrequency shift/GHzFrequency shift/GHzBrillouin response/arb. unitsBrillouin response/arb. units10 km, 38.9 MHz30 km, 50.0 MHz50 km, 51.8 MHz70 km, 49.6 MHz90 km, 49.4 MHz110 km, 47.0 MHz130 km, 48.7 MHz150 km, 56.1 MHz(a)(b)
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