利用局部受激散射提升布里渊光时域反射系统性能

分布式光纤传感技术在工程领域中逐渐得到大规模应用,为了简化传感解调模式以提高光纤监测方案的工程便捷性和可行性,在降低光纤监测成本的同时提高监测的精度和准确性,提出了一种基于局部受激散射的布里渊光时域反射系统。在采取光纤单端探测以满足工程便捷使用要求的基础上,利用连续泵浦光的自发布里渊散射与系统中的探测脉冲光作用,通过自发布里渊散射系统中产生的局部受激布里渊散射模式,来提升布里渊光时域反射仪的传感距离和测温精度。通过此方法,可使原低成本布里渊光纤传感系统在使用宽度为100 ns的常用探测光脉冲基础上,将2.7 km测温光缆的末端测温精度提升至±1.27℃,提升了283%,改善了系统的测温精度和传感距离,且该结构不额外增加运算时间及其他冗余光电器件。与传统相干探测结构相比,该系统为改善低成本建筑工地专用布里渊光时域反射仪的性能提供了一种途径,尽量满足当前阶段建筑工程领域对超低成本分布式光纤解调仪的应用需求。

基于相位敏感光时域反射计的长距离入侵探测系统(英文)

根据受激布里渊散射(SBS)对相位敏感光时域反射计(φ-OTDR)的监测距离的限制,分析了在使用不同灵敏度的光电探测器时φ-OTDR系统的监测距离,并根据SBS阈值随着光纤长度的增加而下降的特点,提出了一种新的光路结构以提升系统的监测距离。该光路结构采用环行器将敏感光纤分为多个部分,并对各部分的后向瑞利散射光分别进行探测,避免了各部分光纤产生的斯托克斯光相互叠加,从而提高了SBS阈值,进而实现了提升系统监测距离的目的。在实验室测试中,使用3个环行器将敏感光纤分为了3个部分并实现了66.92 km的监测距离。通过增加环行器的数量,系统的监测距离可以进一步提高。

光纤布里渊分布式输电线路覆冰识别技术

本文研究了基于光纤布里渊散射的光纤复合架空地线(Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire,OPGW)覆冰识别技术,在热力学理论推导的基础上,使用Comsol Multiphysics软件对导线温度分布进行有限元仿真分析,最终得出覆冰区段较非覆冰区对环境温度变化迟滞的结论,并根据一段时间内缆线温度变化识别出输电线路覆冰状况。基于研究结果,本文在布里渊时域反射计的基础上设计了一套基于光纤布里渊散射原理的分布式光纤覆冰识别系统,解决传统监测系统电源不足、电磁干扰等问题,并在昭通挂网运行,监测范围达到75 km,温度监测精度达到±2℃。

布里渊分布式光纤传感技术进展及展望

布里渊分布式光纤传感技术是目前国际上传感器研究最活跃的热点课题之一。介绍了其传感机理,综述了多年来基于布里渊散射信号的分布式传感技术的研究动态和新进展,分别分析了布里渊时域反射计、布里渊时域分析技术、布里渊相关时域分析技术以及布里渊频域分析技术的基本原理和研究进展,介绍了目前该领域的最新研究成果。简述了需进一步开展的工作及研究方向,并对其未来发展方向进行了展望。

光纤分布式布里渊散射传感技术的发展

随着对光纤中非线性效应的不断研究,布里渊散射由于可以同时测量外界环境的温度和应变且测量范围与测量精度均较高,使得其在光纤分布式传感领域得到了广泛的重视和研究。本文介绍了光纤布里渊散射的传感原理,综述了基于布里渊光时域反射、布里渊光时域分析和布里渊光频域分析的光纤分布式传感技术的原理及进展,最后从用户需求方面对光纤分布式布里渊散射传感技术的未来发展方向进行了展望。

布里渊散射分布式光纤传感器研究现状与展望

布里渊散射分布式光纤传感器在结构健康监测领域具有广阔的应用前景。阐述了布里渊散射分布式光纤传感器的原理,分析了基于布里渊光时域反射、布里渊光时域分析和布里渊光频域分析的分布式光纤传感技术的研究现状,提出了布里渊散射分布式光纤传感器的研究热点及存在的问题,并对其发展趋势进行了展望。

基于受激布里渊散射的OPGW光纤测温研究

为实现输电线路全线分布式温度监测,需研究不同光照条件下OPGW光纤的频移温度曲线分布规律。基于受激布里渊散射原理,对不同区域的OPGW光纤频移/温度系数进行了对比研究,验证了不同段光纤平均值误差较小,证明了整体区域可比较准确地进行光纤温度标定。最后选取不同地形和极寒环境下的输电线路现场挂网试验,进行分布式温度监测,实验结果基本符合实际温度变化趋势。证明该测量方法对于输电线路中的温度监测和预警具有重要的参考意义。

结合布里渊光时域分析和光时域反射计的分布式光纤传感器

对于普通单模光纤的布里渊散射光,其频移是温度或应变的函数,因此通过检测布里渊频移可得到沿光纤分布的温度或应变。但布里渊散射分布式光纤传感器有光时域分析和光时域反射计两种结构,两者具有不同的性能特点和使用场合,在实际传感应用中需要加以选择,用以实现有效的长距离光纤传感。如何在一个系统中融合这两种分布式光纤传感技术,其关键是产生传感所需的频移参考光或探测光。采用光纤激光器作为单一光源,基于微波电光调制产生频移参考光或探测光,并应用正交偏振控制来抑制偏振相关信号衰弱。在同一系统中实现了25 km普通单模光纤的布里渊光时域分析和光反射计,在5 m空间分辨率下达到3℃的温度分辨率。

布里渊光时域反射计中电光调制器的调制特性与控制

在布里渊光时域反射计(BOTDR)中,电光调制器(EOM)的工作点会随着外部环境变化而发生漂移,这将影响BOTDR系统的测量精度及测量稳定性。本文在分析BOTDR系统中EOM调制特性的基础上,提出了一种控制EOM工作点的方法,使用数字信号处理器作为控制核心,采用"步进跟随"的算法。实验结果表明,本文方法可以使EOM长期稳定在高微波调制效率的工作点上。将这种方法应用于BOTDR系统中,可以使BOTDR系统的测量精度以及测量稳定性得到提升。

布里渊光时域反射系统中布里渊散射信号的前向和后向拉曼放大研究

由于布里渊光时域反射(BOTDR)系统中布里渊散射信号非常微弱,常常导致传感距离受限,进而影响系统的信噪比和测量精度。因此,提出对BOTDR系统中布里渊散射信号的前向和后向拉曼放大进行研究。实验结果表明,后向抽运拉曼放大的受激布里渊散射(SBS)阈值要比前向抽运的高;当抽运功率为700mW时,前向抽运放大增益可达13.78dB,随后出现二阶布里渊散射谱线,使得放大增益开始下降;当抽运功率为1000mW时,后向抽运放大增益可达16.33dB,随后放大增益仍有增长的趋势,有利于对布里渊背向散射信号持续放大。

基坑工程BOTDR分布式光纤监测技术研究

围护体系的加固质量对基坑工程、基坑周边环境和地下管线的变形和稳定性具有重要影响。通过对基坑围护体系和周边环境进行实时、在线监测分析,可掌握基坑变形的发展动态,对基坑失稳破坏进行预警。分布式光纤传感技术与常规监测方法相比具有很大的优越性,如分布式、长距离、实时性和长期稳定性等,可满足基坑工程安全监测和基坑失稳早期预警的要求。本文对布里渊光时域反射计(BOTDR)的测量原理进行了介绍,设计了一套基于BOTDR的新型基坑工程分布式监测系统,详细阐述了工程应用中传感光纤的布设方法、光纤保护和温度补偿技术等。以实际工程为例,对基坑工程分布式变形监测结果进行了分析。监测结果表明,基于BOTDR技术的基坑分布式光纤监测系统能够准确地反映基坑工程的变形情况,具有显著的优越性,可用于基坑工程稳定性的监测和失稳预报。

相干光时域反射仪中受激布里渊散射的抑制

采用对分布反馈半导体激光器(DFB-LD)直接进行小信号电流调制的方法抑制相干光时域反射仪(COT-DR)中的受激布里渊散射(SBS),分析了DFB-LD受到小信号电流调制时的频谱特性以及SBS阈值和频谱宽度的关系,设计了实验电路和光路抑制光纤中SBS。理论分析和实验结果表明,在低频调制电流处,光源频谱宽度随调制频率增加而减小,随调制幅度增加而增加,而SBS随频谱宽度增加而减弱,直接用电流调制激光器可抑制COTDR中的SBS。

基于BOTDR的预制桩应变-温度联合测试方法研究

提出了一种可以实现分布式应变-温度联合测试的方法,采用特殊封装的方法改变传感光缆的频移系数,用于空间差异式分布的温度补偿。通过预制桩浸水试验对该方法的有效性进行验证,采用该方法对监测数据进行温度补偿,对应变、温度沿桩身的分布规律以及随时间的变化规律进行了分析。研究表明:该应变-温度联合测试方法能够较好地解决温度在空间上差异式分布时的温度补偿问题;预制桩浸水试验中,水下渗导致的桩身温度变化较大,应变和温度2个因素对传感光缆上各点频移变化量的贡献比例关系较为复杂。

波长扫描型布里渊光时域反射仪

布里渊光时域反射仪(BOTDR)是一种具有广泛应用前景的分布式光纤传感器。对于特定的入射波长,自发布里渊散射光的布里渊频移与温度和应变成线性关系,通过测量光纤沿线布里渊频移分布可实现温度或应变的分布式传感。布里渊功率谱扫描是BOTDR获取布里渊频移的常用手段,已有光频差扫描与电频扫描两种方式。基于布里渊频移对波长的依赖性,提出一种波长扫描型BOTDR。采用可调谐激光器作为光源,通过扫描入射光波长,来获取布里渊功率谱,该方法兼具光频差扫描与电频扫描的优点。实验证明了该方法的可行性,对23.4km光纤进行测量,实现了5m的空间分辨率与2.2℃的温度测量精度。

基于多模光纤的分布式应变传感系统光路接口设计

在分布式光纤应变传感系统中,采用的单模传感光缆在实际施工时,由于铺设环境较为复杂,往往会出现巨大的传输损耗影响测试结果。针对现有的BOTDR产品只支持单模传感光缆的情况,提出了一种光路接口,它能使现有的BOTDR产品实现对多模光纤的测量。实验结果表明,该光路接口可以帮助BOTDR实现多模光纤应变测试,实验数据线性良好。该光路接口结构简单,操作方便,对扩大BOTDR的应用领域和提高对复杂铺设环境的适应能力有重大意义。

基于拉曼放大的零差布里渊光时域反射技术

提出一种基于拉曼放大的零差布里渊光时域反射技术，在长距离分布式光纤传感中实现对温度和应变的快速单端测量。该方法通过拉曼放大提高多峰布里渊峰值功率，实现布里渊拍频峰功率的提升，可有效提高传感系统的信噪比（SNR）和传感距离。通过解拉曼放大的耦合方程，得到同向、反向以及双向拉曼增益，并从理论上导出了前端拉曼抽运系统的布里渊拍频峰的峰值功率分布。以50km的大有效面积光纤为例，在抽运功率为800mW的前端拉曼抽运下，仿真得到2个拍频峰的最低信噪比位于光纤初始端，分别约为26．4dB和21．5dB。光纤末端处2个拍频峰的信噪比分别为70．9dB和46．8dB。结果表明，所提出的方法在不降低测量精度和测量速度的情况下，可使光纤传感的动态范围提高11倍。

利用局部受激散射激励提升紧凑型低成本BOTDR系统探测精度

提出一种利用局部受激布里渊散射(SBS)提升布里渊光时域反射(BOTDR)系统的检测精度的方法。实验中使用20 ns的泵浦脉冲,设置脉冲频率为40 kHz,在23℃温度下对1009 m待测光纤进行测量,然后设置脉冲频率为20 kHz,对2019 m待测光纤进行测量,比较不同电流下频移分布的均方根误差(RMSE)。使用50 ns的泵浦脉冲,设置脉冲频率为20 kHz,对2000 m待测光纤上前端和后端各50 m长度光纤水浴加热至50℃并进行测量。实验结果说明尽管发生的SBS会减小BOTDR系统的传感距离,但却能够在一定程度上提高温度/应变的探测精度。与传统BOTDR系统相比,所提系统利用局部SBS提高了BOTDR系统特定距离上的探测精度,使得紧凑型低成本BOTDR系统的工程实用性得以提高。

单模光纤中受激布里渊散射阈值研究

分析和讨论了受激布里渊散射(SBS)阈值计算的Smith模型和Küng模型,研究了更为准确估算光纤中布里渊散射阈值的方法,通过布里渊增益系数与光纤长度的关系,发现对于较短长度光纤,其布里渊增益系数随着光纤长度变化范围较大,仅在长距离光纤时,布里渊增益系数才可以近似为常数。实验测量了25 km单模光纤的受激布里渊散射阈值,推导出用布里渊时域反射仪(BOTDR)测量受激布里渊散射阈值计算公式,最后用布里渊时域反射仪测量了不同长度光纤受激布里渊散射阈值,实验结果与理论分析吻合。

光纤陀螺用光纤环的应力分布实验研究

阐述了光纤陀螺中光纤环的的作用和绕制技术,介绍了布里渊光时域反射计(BOTDR)的工作原理和性能。利用一种BOTDR首次对不同情况下保偏光纤环的应力分布进行了测试和分析,揭示了光纤环中出现的工艺缺陷并进行了定位和分析。结果表明,利用BOTDR对光纤和光纤环进行应力分布测试,可有效的发现和控制这些缺陷的影响。

抗滑桩变形监测及位移确定研究

针对抗滑桩深部变形监测中存在的问题,提出应用布里渊光时域反射计(BOTDR)技术监测抗滑桩深部变形及根据监测数据确定抗滑桩的位移。通过分析抗滑桩位移与其他物理量之间的关系,结合BOTDR监测抗滑桩应变特征,建立抗滑桩位移与应变之间的二次积分函数关系,并在假设基础上,给出边界条件和解析过程。通过对浙江省诸永高速公路红岩村I号滑坡抗滑桩BOTDR监测的实施及监测结果的计算,并与抗滑桩测斜监测结果对比,对基于BOTDR的抗滑桩位移确定计算模型进行了验证。研究结果表明:通过BOTDR技术监测抗滑桩的深部变形是可行的,抗滑桩的位移确定计算模型一定程度上能够满足工程需要,并且将光纤沿抗滑桩竖向受力钢筋布置,由其监测结果对位移进行计算较为准确。最后,对基于BOTDR技术确定抗滑桩位移的光纤铺设位置选取给出建议。本研究对推动BOTDR监测技术在抗滑桩以及相关桩基工程监测中的应用及数据使用方面具有参考和借鉴价值。