长距离布里渊光时域分析系统的优化研究

发布时间：2017-05-15 01:15

  本文关键词：长距离布里渊光时域分析系统的优化研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：课题介绍随着光通信技术的飞速发展,光纤在其中的支柱地位越发的显著。由于在拉制过程中受到外界环境因素的影响,光纤本身特性存在着不均匀性,这对光信息的传输产生了一定的影响,但合理地利用该特性,我们能够将其应用于光纤传感领域,研制一些测量外界环境应变以及温度变化的光纤传感器,这对光纤通信领域的发展有着重要的意义。本课题主要是针对光纤中的布里渊散射进行传感研究的,其原理是利用光纤中存在的折射率分布不均匀现象,在外界环境条件变化下将导致光纤中声波场的扰动,从而对传输的光信息产生影响。利用该原理研究的光纤传感器可用于进行土木工程以及能源开采环境中的结构健康监测,主要监测对象是温度以及应变,这对于现阶段快速发展的工业生产有着极大的裨益。但是这类传感器都有着传输距离不够的问题,因此本课题将着重对长距离的光纤传感做研究。本论文主要论述在长距离传感过程中会遇到的一系列非线性现象,并针对其对光纤传感的影响提出了一些解决方案的设想,即采用探测光编码技术结合双脉冲光差分光时域分析技术(DPP-BOTDA)来进行改进。论文结构主要包括以下内容。第一章介绍课题背景及目的意义。1.研究背景,基于受激布里渊散射的光纤可以同时对外界环境进行温度和应变的分布式探测,因而可以被很好地应用于土木工程以及能源开采环境的结构健康监测中。现阶段最新的光纤传感器可在不到一秒的时间内获得探测信号并且只有极少量的信号损失,这已经能够对地震等特殊情况的发生进行预警处理了,为了更好的利用其优势,对光纤长距离的传感提出了更高的要求。基于受激布里渊散射的分布式光纤传感器最早于1989年被提出来,经过这些年的发展以及一众研究学者的不懈努力,该光纤传感系统被不断的改进,现如今已经能够在极端时间内获得极高的分辨率的探测信号。随着探测光编码技术以及DPP-BOTDA的提出,长距离的光纤传感技术也有了一个新的改进方向,现阶段能够获得的结果能达到2km探测距离,2cm空间分辨率,能够探测2的温度变化。2、目的意义本研究的目的是设计一个能够达到50km探测距离,2m空间分辨率以及1的温度传感灵敏度,20με的应变传感精度的光纤传感系统。而我们的研究要面对的最大问题就是怎样来克服由于非线性效应引起的长距离传感限制。利用探测光编码技术以及dpp-botda技术能够改善光纤传感系统的探测距离以及传感精度,并且能提高探测信噪比,同时也能够解决在长距离传输中遇到的一系列非线性现象。这对于光纤传感系统在土木工程以及能源开发环境中的结构健康监测有着极其重要的意义。第二章介绍光纤中的散射机理以及光纤传感的基本原理。首先分析自发和受激散射的产生,由于粒子振动或介质的热激发散射强度正比于入射光强。只有光强超过阈值才能发生受激散射,散射光的频率与入射光不同又分为低频的斯托克斯光和高频的反斯托克斯光。具体介绍了拉曼散射瑞利散射,并且详细分析了布里渊散射产生和对温度和应变的传感原理。由于电致伸缩效应,光与声波场相互作用产生后向的斯托克斯光和正向传输的反斯托克斯光,温度或应变会对声波场产生影响从而对测量的后向散射斯托克斯光频率产生影响。对于应用受激布里渊散射传感进行理论分析与公式推导。对受激布里渊耦合波方程进行求解,理解声波场对于能量从泵浦光到探测光的传递过程,并且对布里渊增益谱进行分析。受激布里渊散射得到越来越多的关注与研究,包括高空间分辨率、动态测量、长距离传感等。第三章阐明长距离光纤传感的限制因素以及解决方案预想。对本次实验应用的布里渊光时域分析系统进行描述,布里渊光时域分析系统利用受激布里渊散射的原理。由两路光组成,一路泵浦光为脉冲光,实现分布式测量,另一路探测光为低能量的连续光对频率进行下边频调制,测量时对频率进行扫描,当泵浦光与探测光频率差为布里渊频移时探测光得到最大的放大。由于温度或应变对声波场产生影响从而影响布里渊频移,对待测光纤的布里渊增益谱进行测量,得到温度或应变的信息。相同的道理若探测光为反斯托克斯的频率对泵浦光进行放大则得到布里渊衰减谱,在长距离传感中利用布里渊增益谱与衰减谱相减可以对测量信号进行放大。下面对长距离布里渊光时域分析系统中的限制因素进行分析,主要包括:色散、调制不稳定性、克尔效应。色散主要由于不同频率的光在光纤中传播的速度不同,色散又分为本征色散和模式色散。色散使脉冲光波展宽并且功率降低,限制光传输距离。高功率光在长距离光纤中传输时存在非线性效应,包括:自相位调制、交叉相位调制、调制不稳定性。因此在长距离传感中光功率不能过高,否则光在光纤中发生强烈的非线性效应影响测量。入射光功率较低,并且长距离传输光损耗较大测得的信号信噪比较差,影响测量精度。调制不稳定性产生的主要原因是介质的不均匀性,随着光功率或传输距离的增大泵浦光光谱的边带对称增长。所以色散以及非线性效应成为限制长距离布里渊光时域分析系统的主要影响因素。第四章基于simplex编码的布里渊光时域分析方法(botda)在通信系统中,编码技术能够有效地抑制噪声和较完整地恢复信号。关于simplex码在botda系统中的应用得到广泛的研究,它能有效地抑制因光纤中非线性效应(如泵浦抽空,调制不稳定和自相位调制现象)引起的信号失真,进而获得的较好的信噪比(snr)。simplex编码是一种线性和非极化编码,它是用“0”和“1”的替代hadamard矩阵中“-1”和“1”得到的。实验中,simplex码码型选择归零码,每个码型宽度40ns,脉宽10ns,对应25%的占空比,并研究了长编码光脉冲的放大后功率衰减现象。由于光纤声子寿命大约10ns,这样simplex码型可以有效抑制相邻码型间sbs过程的影响,进而获得不失真的布里渊增益谱。搭建了botda系统,15?15位的simplex码泵浦光逐行注入25km的传感光纤,再通过对探测光扫频获得每行编码时的整段光纤的分布式布里渊增益谱。根据simplex码算法和解码过程,将测量的布里渊散射信号构建响应矩阵,simplex码矩阵的逆矩阵和响应矩阵相乘即可计算出高信噪比的布里渊信号。实验结果显示,相对于传统的botda,该方法可以有效地增强布里渊信号的信噪比(snr),通过计算布里渊增益,snr是传统botda的2倍,空间分辨率为1m,温度精度为0.52,应变进度10.83με。第五章,基于脉冲对差分法的布里渊光时域方法(dpp-botda)对于botda系统,为了增加空间分辨率往往需要使用窄脉宽的光脉冲,但是窄脉冲会导致布里渊增益谱的展宽,降低了峰值拟合精度;同时也使得泵浦脉冲光和探测光作用长度减小,形成较弱的声波场,散射的布里渊信号减弱,反过来也降低了空间分辨率。对于基于脉冲对差分法的布里渊光时域方法(dpp-botda),由于使用长脉宽的脉冲对,这样可获得很强的布里渊信号,较窄的布里渊增益谱线宽,其空间分辨率可由脉冲差决定的,这样既可以增加空间分辨率又可以增强布里渊信号。整个过程大体为:通过不同脉宽的泵浦光脉冲的注入botda系统,我们可以获得两个分布式的布里渊信号;这两个布里渊信号相减即可得到差分布里渊信号,再通过探测光扫频获得分布式布里渊增益谱。实验中,使用光纤为50km标准单模光纤(ssmf)末端分别由3m应变区域和4m高温区域。光脉冲脉宽分别使用100/105/110/120ns,相对于传统的botda,实验所得差分后的布里渊增益谱没有明显的展宽。光纤中3m应变区域和4m温度区域都能够清晰地识别出来,可以获得0.5/1/2m的空间分辨率,并对相关的实验数据进行对比分析。总结,本论文了解当前主流光纤传感技术,对长距离光纤传感限制因素做了分析,分别利用Simplex-coding-BOTDA的编码技术和DPP-BOTDA技术实现长距离高分辨率的光纤传感。
【关键词】：受激布里渊散射 长距离BOTDA Simplex编码 双脉冲差分BOTDA 非线性效应
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN929.1
【目录】：

• 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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  本文关键词：长距离布里渊光时域分析系统的优化研究，，由笔耕文化传播整理发布。

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