BOTDA系统偏振效应研究动态
发布时间：2021-08-20 11:57
文章对布里渊光时域分析（BOTDA）分布式光纤传感系统中的偏振效应机理及受激布里渊散射的矢量模型分析进行了阐述。对目前国内外的研究现状,从受激布里渊散射效应中偏振相关布里渊增益谱分析、控制偏振态以及抑制偏振衰落技术等方面进行了详细介绍。布里渊光纤传感系统矢量建模分析和偏振态控制技术具有很好的研究前景,对未来研究中利用偏振态的敏感特性进行分布式传感光纤的温度、应变和振动信息测量及抑制偏振衰落来提高光纤传感系统空间分辨率都具有参考价值。
【文章来源】：光通信研究. 2020,(01)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
SBS增益谱实验结果图
探测光SOP在与前一个泵浦编码脉冲作用时与初始状态稍有偏离,将由来自后一个正交编码脉冲的正交拉力恢复。SOP的偏差无法累积,提高了偏振分集技术消除偏振衰落的效率。该课题组在2019年对PDM脉冲编码技术进行了改进[3],基于双边带混合偏振正反牵引效应(Hybrid Polarization Pulling and Pushing Effects,HPP),在简化了实验装置的同时消除了偏振衰落,抑制布里渊增益波动效果良好。图5所示为格雷编码BOTDA系统中的布里渊增益波动对比图。基于HPP的PDM技术采用了正交偏振态的泵浦光,探测光的偏振态经过SBS作用后偏离了初始偏振态,但是探测光斯托克斯分量(偏振牵引)和反斯托克斯分量(反偏振牵引),在分别与正交偏振态的泵浦光进行SBS作用后,将一直保持相同的偏振态。在输入正交泵浦光的同时,对探测光的双边带进行分离和SBS过程后叠加,所以HPP能消除布里渊波动。该方法的关键在于利用探测光的双边带,并且必须先用对数归一化处理后的布里渊增益/损耗数据做线性累积(累积后得出图5中虚线G0和GB,G0为基于传统偏振牵引的线性累积;GB为基于HPP方法的线性累积),再进行叠加和译码处理。3 利用偏振效应研究机理实现监测
式中: SAS、SS 和P分别为反斯托克斯光、斯托克斯光和泵浦光的斯托克斯矢量,SAS0、SS0 和P0均为光强;α为光纤的损耗系数;β为信号光的双折射矢量;β′为泵浦光的双折射矢量;Re为取各增益系数矢量的实部;ξas、ξs、ξps和ξpas分别为反斯托克斯光、斯托克斯光、泵浦光和斯托克斯光作用、泵浦光和反斯托克斯光作用的增益系数。模型综合了光强方程和归一化斯托克斯矢量的空间演化方程,当只考虑增益型时,在泵浦非耗尽假定下,泵浦光矢量模型可简化为 - dΡ dz =-αΡ- β ′ ×Ρ 。该模型同时考虑了SBS作用、偏振态影响和双折射效应。数值仿真结果如图1所示,曲线反映了最大最小布里渊增益分别对应不同偏振态以及双折射分布的关系。该课题组在利用该受激布里渊放大信号模型进一步提出了单模光纤的偏振拍长均值估计方法[11-12]。2017年,王春华等人[13]提出了考虑偏振谱影响的SBS矢量理论模型,研究了光谱偏振扩散的现象,即信号光的不同频率分量的偏振态受到了不同的SBS作用拉伸。在具有给定输入泵浦光SOP的任意光纤中,将偏振态扩散看作是光纤双折射的线性旋转,旋转方向趋向于对应最大SBS增益信号光的输出SOP方向。S ΙΝ max 为对应最大SBS增益信号光的输入SOP方向。偏振扩散大小由SBS增益最大/最小的比值和信号波输入SOP在S ΙΝ max 上的投影来决定,比值和投影这两个参数都是光纤双折射和泵浦输入SOP的函数。本光谱偏振扩散的研究结论,对2012年谢尚然等人在BOTDA系统实验中观察到的SBS频移的偏振相关偏差现象[7]给出了理论解释,也为使用偏振器来调整处理SBS增益谱提供了理论基础。
【参考文献】：
期刊论文
[1]布里渊光时域分析传感器扰偏性能研究[J]. 安琪,李永倩,张立欣. 科学技术与工程. 2016(31)
[2]增益损耗型受激布里渊散射的矢量模型与仿真[J]. 曹珊,何向阁,张敏. 中国激光. 2015(08)
[3]电光调制器自适应偏振控制系统设计与实现[J]. 李永倩,孟祥腾,安琪,吕安强,王跃,王宇. 红外与激光工程. 2015(06)
[4]偏振分集技术及其在光纤传感器中的应用[J]. 倪明,曹春燕,胡正良,张学亮. 光学学报. 2011(07)
[5]分布式光纤温度和应变传感技术的研究进展[J]. 李荣伟,刘健夫,杨志,李永倩. 光通信研究. 2010(03)
博士论文
[1]矢量受激布里渊散射特性及其应用的理论与实验研究[D]. 安琪.华北电力大学(北京) 2017
[2]光纤布里渊散射与干涉中的偏振问题及其分布式传感应用[D]. 谢尚然.清华大学 2013
本文编号：3353455
【文章来源】：光通信研究. 2020,(01)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
SBS增益谱实验结果图
探测光SOP在与前一个泵浦编码脉冲作用时与初始状态稍有偏离,将由来自后一个正交编码脉冲的正交拉力恢复。SOP的偏差无法累积,提高了偏振分集技术消除偏振衰落的效率。该课题组在2019年对PDM脉冲编码技术进行了改进[3],基于双边带混合偏振正反牵引效应(Hybrid Polarization Pulling and Pushing Effects,HPP),在简化了实验装置的同时消除了偏振衰落,抑制布里渊增益波动效果良好。图5所示为格雷编码BOTDA系统中的布里渊增益波动对比图。基于HPP的PDM技术采用了正交偏振态的泵浦光,探测光的偏振态经过SBS作用后偏离了初始偏振态,但是探测光斯托克斯分量(偏振牵引)和反斯托克斯分量(反偏振牵引),在分别与正交偏振态的泵浦光进行SBS作用后,将一直保持相同的偏振态。在输入正交泵浦光的同时,对探测光的双边带进行分离和SBS过程后叠加,所以HPP能消除布里渊波动。该方法的关键在于利用探测光的双边带,并且必须先用对数归一化处理后的布里渊增益/损耗数据做线性累积(累积后得出图5中虚线G0和GB,G0为基于传统偏振牵引的线性累积;GB为基于HPP方法的线性累积),再进行叠加和译码处理。3 利用偏振效应研究机理实现监测
式中: SAS、SS 和P分别为反斯托克斯光、斯托克斯光和泵浦光的斯托克斯矢量,SAS0、SS0 和P0均为光强;α为光纤的损耗系数;β为信号光的双折射矢量;β′为泵浦光的双折射矢量;Re为取各增益系数矢量的实部;ξas、ξs、ξps和ξpas分别为反斯托克斯光、斯托克斯光、泵浦光和斯托克斯光作用、泵浦光和反斯托克斯光作用的增益系数。模型综合了光强方程和归一化斯托克斯矢量的空间演化方程,当只考虑增益型时,在泵浦非耗尽假定下,泵浦光矢量模型可简化为 - dΡ dz =-αΡ- β ′ ×Ρ 。该模型同时考虑了SBS作用、偏振态影响和双折射效应。数值仿真结果如图1所示,曲线反映了最大最小布里渊增益分别对应不同偏振态以及双折射分布的关系。该课题组在利用该受激布里渊放大信号模型进一步提出了单模光纤的偏振拍长均值估计方法[11-12]。2017年,王春华等人[13]提出了考虑偏振谱影响的SBS矢量理论模型,研究了光谱偏振扩散的现象,即信号光的不同频率分量的偏振态受到了不同的SBS作用拉伸。在具有给定输入泵浦光SOP的任意光纤中,将偏振态扩散看作是光纤双折射的线性旋转,旋转方向趋向于对应最大SBS增益信号光的输出SOP方向。S ΙΝ max 为对应最大SBS增益信号光的输入SOP方向。偏振扩散大小由SBS增益最大/最小的比值和信号波输入SOP在S ΙΝ max 上的投影来决定,比值和投影这两个参数都是光纤双折射和泵浦输入SOP的函数。本光谱偏振扩散的研究结论,对2012年谢尚然等人在BOTDA系统实验中观察到的SBS频移的偏振相关偏差现象[7]给出了理论解释,也为使用偏振器来调整处理SBS增益谱提供了理论基础。
【参考文献】：
期刊论文
[1]布里渊光时域分析传感器扰偏性能研究[J]. 安琪,李永倩,张立欣. 科学技术与工程. 2016(31)
[2]增益损耗型受激布里渊散射的矢量模型与仿真[J]. 曹珊,何向阁,张敏. 中国激光. 2015(08)
[3]电光调制器自适应偏振控制系统设计与实现[J]. 李永倩,孟祥腾,安琪,吕安强,王跃,王宇. 红外与激光工程. 2015(06)
[4]偏振分集技术及其在光纤传感器中的应用[J]. 倪明,曹春燕,胡正良,张学亮. 光学学报. 2011(07)
[5]分布式光纤温度和应变传感技术的研究进展[J]. 李荣伟,刘健夫,杨志,李永倩. 光通信研究. 2010(03)
博士论文
[1]矢量受激布里渊散射特性及其应用的理论与实验研究[D]. 安琪.华北电力大学(北京) 2017
[2]光纤布里渊散射与干涉中的偏振问题及其分布式传感应用[D]. 谢尚然.清华大学 2013
本文编号：3353455
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