本文關(guān)鍵詞：長距離布里淵光時域分析系統(tǒng)的優(yōu)化研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：課題介紹隨著光通信技術(shù)的飛速發(fā)展,光纖在其中的支柱地位越發(fā)的顯著。由于在拉制過程中受到外界環(huán)境因素的影響,光纖本身特性存在著不均勻性,這對光信息的傳輸產(chǎn)生了一定的影響,但合理地利用該特性,我們能夠?qū)⑵鋺?yīng)用于光纖傳感領(lǐng)域,研制一些測量外界環(huán)境應(yīng)變以及溫度變化的光纖傳感器,這對光纖通信領(lǐng)域的發(fā)展有著重要的意義。本課題主要是針對光纖中的布里淵散射進(jìn)行傳感研究的,其原理是利用光纖中存在的折射率分布不均勻現(xiàn)象,在外界環(huán)境條件變化下將導(dǎo)致光纖中聲波場的擾動,從而對傳輸?shù)墓庑畔a(chǎn)生影響。利用該原理研究的光纖傳感器可用于進(jìn)行土木工程以及能源開采環(huán)境中的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測,主要監(jiān)測對象是溫度以及應(yīng)變,這對于現(xiàn)階段快速發(fā)展的工業(yè)生產(chǎn)有著極大的裨益。但是這類傳感器都有著傳輸距離不夠的問題,因此本課題將著重對長距離的光纖傳感做研究。本論文主要論述在長距離傳感過程中會遇到的一系列非線性現(xiàn)象,并針對其對光纖傳感的影響提出了一些解決方案的設(shè)想,即采用探測光編碼技術(shù)結(jié)合雙脈沖光差分光時域分析技術(shù)(DPP-BOTDA)來進(jìn)行改進(jìn)。論文結(jié)構(gòu)主要包括以下內(nèi)容。第一章介紹課題背景及目的意義。1.研究背景,基于受激布里淵散射的光纖可以同時對外界環(huán)境進(jìn)行溫度和應(yīng)變的分布式探測,因而可以被很好地應(yīng)用于土木工程以及能源開采環(huán)境的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中�，F(xiàn)階段最新的光纖傳感器可在不到一秒的時間內(nèi)獲得探測信號并且只有極少量的信號損失,這已經(jīng)能夠?qū)Φ卣鸬忍厥馇闆r的發(fā)生進(jìn)行預(yù)警處理了,為了更好的利用其優(yōu)勢,對光纖長距離的傳感提出了更高的要求�；谑芗げ祭餃Y散射的分布式光纖傳感器最早于1989年被提出來,經(jīng)過這些年的發(fā)展以及一眾研究學(xué)者的不懈努力,該光纖傳感系統(tǒng)被不斷的改進(jìn),現(xiàn)如今已經(jīng)能夠在極端時間內(nèi)獲得極高的分辨率的探測信號。隨著探測光編碼技術(shù)以及DPP-BOTDA的提出,長距離的光纖傳感技術(shù)也有了一個新的改進(jìn)方向,現(xiàn)階段能夠獲得的結(jié)果能達(dá)到2km探測距離,2cm空間分辨率,能夠探測2的溫度變化。2、目的意義本研究的目的是設(shè)計一個能夠達(dá)到50km探測距離,2m空間分辨率以及1的溫度傳感靈敏度,20με的應(yīng)變傳感精度的光纖傳感系統(tǒng)。而我們的研究要面對的最大問題就是怎樣來克服由于非線性效應(yīng)引起的長距離傳感限制。利用探測光編碼技術(shù)以及dpp-botda技術(shù)能夠改善光纖傳感系統(tǒng)的探測距離以及傳感精度,并且能提高探測信噪比,同時也能夠解決在長距離傳輸中遇到的一系列非線性現(xiàn)象。這對于光纖傳感系統(tǒng)在土木工程以及能源開發(fā)環(huán)境中的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測有著極其重要的意義。第二章介紹光纖中的散射機(jī)理以及光纖傳感的基本原理。首先分析自發(fā)和受激散射的產(chǎn)生,由于粒子振動或介質(zhì)的熱激發(fā)散射強(qiáng)度正比于入射光強(qiáng)。只有光強(qiáng)超過閾值才能發(fā)生受激散射,散射光的頻率與入射光不同又分為低頻的斯托克斯光和高頻的反斯托克斯光。具體介紹了拉曼散射瑞利散射,并且詳細(xì)分析了布里淵散射產(chǎn)生和對溫度和應(yīng)變的傳感原理。由于電致伸縮效應(yīng),光與聲波場相互作用產(chǎn)生后向的斯托克斯光和正向傳輸?shù)姆此雇锌怂构?溫度或應(yīng)變會對聲波場產(chǎn)生影響從而對測量的后向散射斯托克斯光頻率產(chǎn)生影響。對于應(yīng)用受激布里淵散射傳感進(jìn)行理論分析與公式推導(dǎo)。對受激布里淵耦合波方程進(jìn)行求解,理解聲波場對于能量從泵浦光到探測光的傳遞過程,并且對布里淵增益譜進(jìn)行分析。受激布里淵散射得到越來越多的關(guān)注與研究,包括高空間分辨率、動態(tài)測量、長距離傳感等。第三章闡明長距離光纖傳感的限制因素以及解決方案預(yù)想。對本次實驗應(yīng)用的布里淵光時域分析系統(tǒng)進(jìn)行描述,布里淵光時域分析系統(tǒng)利用受激布里淵散射的原理。由兩路光組成,一路泵浦光為脈沖光,實現(xiàn)分布式測量,另一路探測光為低能量的連續(xù)光對頻率進(jìn)行下邊頻調(diào)制,測量時對頻率進(jìn)行掃描,當(dāng)泵浦光與探測光頻率差為布里淵頻移時探測光得到最大的放大。由于溫度或應(yīng)變對聲波場產(chǎn)生影響從而影響布里淵頻移,對待測光纖的布里淵增益譜進(jìn)行測量,得到溫度或應(yīng)變的信息。相同的道理若探測光為反斯托克斯的頻率對泵浦光進(jìn)行放大則得到布里淵衰減譜,在長距離傳感中利用布里淵增益譜與衰減譜相減可以對測量信號進(jìn)行放大。下面對長距離布里淵光時域分析系統(tǒng)中的限制因素進(jìn)行分析,主要包括:色散、調(diào)制不穩(wěn)定性、克爾效應(yīng)。色散主要由于不同頻率的光在光纖中傳播的速度不同,色散又分為本征色散和模式色散。色散使脈沖光波展寬并且功率降低,限制光傳輸距離。高功率光在長距離光纖中傳輸時存在非線性效應(yīng),包括:自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制、調(diào)制不穩(wěn)定性。因此在長距離傳感中光功率不能過高,否則光在光纖中發(fā)生強(qiáng)烈的非線性效應(yīng)影響測量。入射光功率較低,并且長距離傳輸光損耗較大測得的信號信噪比較差,影響測量精度。調(diào)制不穩(wěn)定性產(chǎn)生的主要原因是介質(zhì)的不均勻性,隨著光功率或傳輸距離的增大泵浦光光譜的邊帶對稱增長。所以色散以及非線性效應(yīng)成為限制長距離布里淵光時域分析系統(tǒng)的主要影響因素。第四章基于simplex編碼的布里淵光時域分析方法(botda)在通信系統(tǒng)中,編碼技術(shù)能夠有效地抑制噪聲和較完整地恢復(fù)信號。關(guān)于simplex碼在botda系統(tǒng)中的應(yīng)用得到廣泛的研究,它能有效地抑制因光纖中非線性效應(yīng)(如泵浦抽空,調(diào)制不穩(wěn)定和自相位調(diào)制現(xiàn)象)引起的信號失真,進(jìn)而獲得的較好的信噪比(snr)。simplex編碼是一種線性和非極化編碼,它是用“0”和“1”的替代hadamard矩陣中“-1”和“1”得到的。實驗中,simplex碼碼型選擇歸零碼,每個碼型寬度40ns,脈寬10ns,對應(yīng)25%的占空比,并研究了長編碼光脈沖的放大后功率衰減現(xiàn)象。由于光纖聲子壽命大約10ns,這樣simplex碼型可以有效抑制相鄰碼型間sbs過程的影響,進(jìn)而獲得不失真的布里淵增益譜。搭建了botda系統(tǒng),15?15位的simplex碼泵浦光逐行注入25km的傳感光纖,再通過對探測光掃頻獲得每行編碼時的整段光纖的分布式布里淵增益譜。根據(jù)simplex碼算法和解碼過程,將測量的布里淵散射信號構(gòu)建響應(yīng)矩陣,simplex碼矩陣的逆矩陣和響應(yīng)矩陣相乘即可計算出高信噪比的布里淵信號。實驗結(jié)果顯示,相對于傳統(tǒng)的botda,該方法可以有效地增強(qiáng)布里淵信號的信噪比(snr),通過計算布里淵增益,snr是傳統(tǒng)botda的2倍,空間分辨率為1m,溫度精度為0.52,應(yīng)變進(jìn)度10.83με。第五章,基于脈沖對差分法的布里淵光時域方法(dpp-botda)對于botda系統(tǒng),為了增加空間分辨率往往需要使用窄脈寬的光脈沖,但是窄脈沖會導(dǎo)致布里淵增益譜的展寬,降低了峰值擬合精度;同時也使得泵浦脈沖光和探測光作用長度減小,形成較弱的聲波場,散射的布里淵信號減弱,反過來也降低了空間分辨率。對于基于脈沖對差分法的布里淵光時域方法(dpp-botda),由于使用長脈寬的脈沖對,這樣可獲得很強(qiáng)的布里淵信號,較窄的布里淵增益譜線寬,其空間分辨率可由脈沖差決定的,這樣既可以增加空間分辨率又可以增強(qiáng)布里淵信號。整個過程大體為:通過不同脈寬的泵浦光脈沖的注入botda系統(tǒng),我們可以獲得兩個分布式的布里淵信號;這兩個布里淵信號相減即可得到差分布里淵信號,再通過探測光掃頻獲得分布式布里淵增益譜。實驗中,使用光纖為50km標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(ssmf)末端分別由3m應(yīng)變區(qū)域和4m高溫區(qū)域。光脈沖脈寬分別使用100/105/110/120ns,相對于傳統(tǒng)的botda,實驗所得差分后的布里淵增益譜沒有明顯的展寬。光纖中3m應(yīng)變區(qū)域和4m溫度區(qū)域都能夠清晰地識別出來,可以獲得0.5/1/2m的空間分辨率,并對相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析�？偨Y(jié),本論文了解當(dāng)前主流光纖傳感技術(shù),對長距離光纖傳感限制因素做了分析,分別利用Simplex-coding-BOTDA的編碼技術(shù)和DPP-BOTDA技術(shù)實現(xiàn)長距離高分辨率的光纖傳感。
【關(guān)鍵詞】：受激布里淵散射 長距離BOTDA Simplex編碼 雙脈沖差分BOTDA 非線性效應(yīng)
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN929.1
【目錄】：

• Abstract4-5
• Chinese abstrct5-12
• Chapter 1 Introduction12-19
• 1.1 Background12-16
• 1.2 Motivation16-17
• 1.3 Thesis contribution17
• 1.4 Thesis organization17-19
• Chapter 2 Light scattering in optical fibers19-37
• 2.1 Origins of light scattering19
• 2.2 Spontaneous and stimulated light scattering19-20
• 2.3 Different types of scattering and their characteristics20-21
• 2.4 Optical properties’ fluctuation and distribution21-23
• 2.4.1 Thermodynamic approach of Scalar light scattering22
• 2.4.2 Scalar scattering in optical fibers22-23
• 2.4.2.1 Assumptions22-23
• 2.4.2.2 Density variations and light scattering23
• 2.5 Stimulated Brillouin Scattering23-30
• 2.5.1 Intensity25-26
• 2.5.2 Frequency Shift26
• 2.5.3 Linewidth26-27
• 2.5.4 Temperature Effects27
• 2.5.5 Brillouin Scattering at Room Temperature27-28
• 2.5.6 Acoustic waves and Brillouin scattering:28
• 2.5.7 Thermal motion and acoustic phonons28
• 2.5.8 Acoustics wave’s propagation28-30
• 2.6 Electrostriction30-32
• 2.6.1 Stimulated Brillouin scattering induced by electrostriction31-32
• 2.6.1.1 Brillouin generator and Brillouin amplifier31
• 2.6.1.2 Stimulated Brillouin scattering31-32
• 2.7 Theoretical formulation of stimulated Brillouin scattering (SBS)32-35
• 2.8 SBS power threshold35-36
• 2.9 Summary36-37
• Chapter 3 Limitations in long-range BOTDA37-50
• 3.1 Fiber optic sensors37-39
• 3.1.1 Brillouin optical time-domain analysis (BOTDA)37-38
• 3.1.2 Principle of BOTDA38-39
• 3.1.3 Brillouin gain and Brillouin loss scheme39
• 3.2 Limitations in long-range BOTDA39-49
• 3.2.1 Chromatic dispersion39-41
• 3.2.2 Nonlinear effects (SPM, XPM, MI) in optical fibers41-49
• 3.2.2.1 Effective susceptibility and effective refractive index42-43
• 3.2.2.2 Effective transmission length43
• 3.2.2.3 Effective cross-sectional area43-44
• 3.2.2.4 Self-phase modulation (SPM)44-46
• 3.2.2.5 Cross phase modulation (XPM)46-48
• 3.2.2.6 Modulation instability (MI)48-49
• 3.3 Summary49-50
• Chapter 4 Simplex-coded-based long-range BOTDA50-66
• 4.1 Theoretical study50-52
• 4.1.1 Modulation formats50-52
• 4.1.1.1 Non-return to zero (NRZ)50-51
• 4.1.1.2 Return to zero (RZ) format51-52
• 4.1.1.3 Comparison52
• 4.2 Coded-BOTDA52-58
• 4.2.1 Simplex code52
• 4.2.2 Interest of Simplex-coding52-53
• 4.2.3 Overview about optical pulse coding53-58
• 4.2.3.1 Simplex-coded BOTDA53-55
• 4.2.3.2 Simplex-coding algorithm55-56
• 4.2.3.3 Decoding process56-57
• 4.2.3.4 Code gain calculation57-58
• 4.3 Experimental study58-65
• 4.3.1 Experiment set up:58-59
• 4.3.2 Results and discussion59-65
• 4.4 Summary65-66
• Chapter 5 Differential-pulsewidth-pair-Brillouin optical time domain analysis(DPP-BOTDA)66-77
• 5.1 Theory66-67
• 5.1.1 Advantages and disadvantages of DPP-BOTDA67
• 5.2 Experimental study67-76
• 5.2.1 Experimental setup67-68
• 5.2.2 Measurement results and interpretation:68-76
• 5.2.2.1 Two meters (2 m) spatial resolution69-72
• 5.2.2.2 One meter (1m) spatial resolution72-74
• 5.2.2.3 A half meter (0.5 m) spatial resolution74-75
• 5.2.2.4 Comparative study75-76
• 5.3 Summary76-77
• Conclusion and future work77-78
• References78-82
• Appendix82-87
• A.1 matlab code to generate S-matrix82-84
• A.2 Decoding Matlab algorithm for 15bit Simplex code length84-87
• Acknowledgements87

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