基于WRF模式高光谱分辨率测温激光雷达系统分析

为了解析大气瑞利-布里渊散射光谱并获取0 km~16 km的大气垂直温度廓线,采用基于菲索干涉仪结合光电倍增管阵列的高光谱分辨率测温激光雷达(HSRL)对不同季节环境下的温度反演能力及系统误差进行了理论分析,得到了利用大气瑞利-布里渊散射光谱在结合Tenti S6模型进行拟合的情况下,不同的大气模型对温度廓线拟合的影响结果。结果表明,使用US76大气模型结合Tenti S6模型,经10000次脉冲积分后,在0 km~16 km范围内的最大随机误差为1.1 K;使用天气预报模式(WRF)提供的温压场代替US76模型的温压场进行模拟,随机误差随季节略有不同,春季不超过0.65 K,夏季不超过0.98 K,秋季不超过0.59 K,冬季不超过0.63 K;使用WRF模式进行HSRL系统探测能力评估结果优于使用US76的评估结果,若精选不同天气类型,该方法还可以拓展到评估不同季节下HSRL的随机误差,体现了将WRF模式用于HSRL评估的优势。该研究为HSRL测温系统在不同季节下的工作能力评估提供了参考。

全光纤Mach-Zehnder干涉仪及其在光纤自发布里渊散射测量中的应用

从理论上分析了全光纤 Mach- Zehnder干涉仪的分光原理 ,并将所研制的全光纤单通Mach- Zehnder干涉仪和双通 Mach- Zehnder干涉仪应用于自发布里渊散射光谱的测量 。

分布式光纤温度和应变传感技术的研究进展

文章针对分布式光纤传感技术现状,介绍了基于相干光时域反射和双脉冲布里渊光时域反射的两种光纤传感技术,这两种温度和应变传感具有高测量精度、高空间分辨率等优点,可广泛应用于国防、科研等领域。详细分析了两种传感方法的系统方案和实现原理,指出了每种方法的关键技术及创新点。探讨了分布式光纤温度和应变传感技术的发展趋势。

脉冲泵浦掺镱双包层光纤激光器的动力学研究

对脉冲泵浦的掺镱双包层光纤激光器进行了实验研究.采用重复频率1～10 kHz、脉宽100 μs的976 nmLDs泵浦,实现了脉宽小于10 ns的稳定激光脉冲输出.并对该激光器的动力学过程进行了分析,首次提出了在脉冲泵浦光纤激光器中产生ns脉冲是瑞利散射和受激布里渊散射共同作用的结果.

光纤分布式扰动传感器中瑞利和受激布里渊散射光谱特性及其影响研究

针对光纤分布式扰动传感器长距离应用定位误差增大的问题,研究了传感器长距离光纤中的瑞利散射和受激布里渊散射的光谱特性及其对系统定位精度的影响。建立了长距离光纤中瑞利和受激布里渊散射的数学模型,通过仿真研究发现散射光波的杂波干涉和强度噪声会严重降低干涉仪的光学信噪比,从而导致定位误差。通过实验验证了仿真结果的正确性。研究结论可以为提高长距离应用定位精度提供理论指导。

基于一种高精度解调法的布里渊温度传感系统

针对采用瑞利散射和布里渊散射强度解调的分布式光纤布里渊温度传感系统中存在的系统温漂及光纤应力等噪声因素影响,提出了采用多个已知分段温度分布曲线来解调待测温度分布曲线,取其平均值作为测量值的新方法。系统实验表明,采用该解调法的分布式光纤布里渊温度传感系统能有效提高测温精度和稳定性,降低系统成本,系统的测温精度达到±0.07 K。

一种新型解调法的光纤布里渊温度传感系统

在基于瑞利散射和布里渊散射强度解调的分布式光纤布里渊温度传感系统中,为了抑制系统温漂和光纤中的应力等噪声因素影响,提出了采用最近已知温度分布曲线来解调待测温度分布曲线的新方法,并在设计的传感系统中进行了实验。实验结果表明,采用该解调法的分布式光纤布里渊温度传感系统能有效提高测温精度和稳定性,降低了系统的成本。系统的测温精度达到±0.09 K。

瑞利BOTDA系统的2维提升小波降噪方法

为了解决基于瑞利散射的布里渊光时域分析系统(BOTDA)中传感信号受噪声干扰严重的问题,采用2维提升小波变换算法,将测量信号从1维空间转换到2维空间,进行阈值降噪处理。通过理论分析和实验验证,取得了传统小波与2维提升小波降噪数据。结果表明,2维提升小波变换比传统小波变换信噪比提高约10dB,运算量减少了1/3;2维提升小波充分利用测量信号时间上的相关性,变换结构简单、运算速度快、降噪效果优于传统小波,适用于瑞利BOTDA系统降噪。该结果对光纤传感系统中信号降噪的研究有一定参考价值。

基于宽带光源和自外差检测的布里渊光时域反射温度传感系统

为简化系统结构、减小相干瑞利噪声对系统性能的影响,提出了一种采用宽带光源的瑞利和布里渊散射自外差检测布里渊光时域反射温度传感系统.分析了瑞利和布里渊自外差检测原理,研究了布里渊频移和自外差信号功率与光纤温度和应变的关系.设计并搭建采用宽带光源的自外差检测布里渊光时域反射温度传感系统,获得了常温下沿光纤分布的自外差信号功率谱及不同温度时加温段光纤的功率谱,验证了布里渊频移和自外差信号相对功率变化随温度的线性增加关系.通过实验数据获得的布里渊频移和相对功率变化的温度系数分别为1.07±0.01MHz/℃和(0.37±0.09)%/℃.本文的研究结果为基于瑞利和布里渊自外差检测布里渊光时域反射传感系统的温度和应变同时测量提供了理论和实验依据.

脉冲预泵浦瑞利BOTDA系统的瞬态解析方法

为了解决空间分辨率和频率测量精度之间的矛盾,将脉冲预泵浦的概念引入瑞利布里渊光时域分析系统,建立了运用瞬态受激布里渊散射耦合波方程组描述该系统的数学模型。采用时域有限差分法求解了瞬态受激布里渊散射耦合波方程,仿真拟合了常微分方程组的时域幅值解,并实验验证了脉冲预泵浦瑞利布里渊光时域分析系统散射光功率谱和理论的一致性。结果表明,传感脉冲光、瑞利散射光和声波场三波幅值拟合方程的均方根误差可达0.003 097、0.005 717和0.020 75,沿光纤长度该系统功率谱呈现出携带布里渊信息的瑞利散射特性,可实现光纤温度和应变的传感检测。

基于Fizeau干涉仪的激光雷达测温方法研究

气温是描述大气状态的基本参数之一,温度的准确测量对天气预报、气候预测及其他气象参数的反演都至关重要。激光雷达作为一种遥感仪器,已经用于气象要素的探测中(风、温度、气溶胶的光学厚度等)。目前,测温激光雷达主要有拉曼激光雷达(振动和转动)、共振荧光激光雷达和Rayleigh散射激光雷达等,拉曼激光雷达需要大功率的激光器和复杂的背景滤波器;共振荧光激光雷达无法探测平流层内的温度;基于Rayleigh散射的测温激光雷达多应用于温度的相对测量,反演温度时需要建立响应函数和校准程序;基于固体腔扫描F-P干涉仪测量大气Rayleigh散射光谱来反演温度的方法,时间分辨率较低,并且该方法在测量过程中需要运动部件,所以不利于星载。在大气低层,分子的Rayleigh散射光谱会受到Brillouin散射的影响,两种散射信号叠加形成的Rayleigh-Brillouin散射光谱不再服从Gaussian分布,直接通过测量散射光谱的半高全宽来反演温度,会产生误差。基于回波能量的方法会受到气溶胶Mie散射信号的影响,所以在对流层中该方法并不适用。为了实现对流层内温度的高精度和高时间分辨率的测量,提出利用Fizeau干涉仪和PMT阵列对对流层内分子的Rayleigh-Brillouin散射光谱进行测量,并通过插值的方法来对回波信号中气溶胶Mie散射信号进行抑制,从而使Mie散射信号对温度反演的影响较小,最后将测量光谱和理论光谱进行全光谱匹配来实现温度的反演。除此之外,还对Fizeau干涉仪的自由光谱区、固体腔几何长度、腔体反射率、扫描间隔等参数进行了优化设计。为了验证本文提出方法的可行性,利用Matlab软件建立了一套仿真模型,通过模拟表明,在不考虑云、风和水汽含量的影响时,利用该方法测量对流层内的大气温度时,测量误差小于1K。该测温方法可以对对流层内的大气温度廓线实现高精度、高时间分辨率的测量,在测量过程中不需要使用运动部件,有较高的使用价值,并对同类高光谱激光雷达分光系统的研究具有借鉴意义,为我国高光谱激光雷达陆基及星载应用提供了一套可行的技术方案和温度反演方法。

分布式光纤传感器在数字油田应用中的研究进展

分布式光纤传感器根据其原理可以分为瑞利散射分布式光纤传感器,拉曼散射分布式光纤传感器以及布里渊散射分布式光纤传感器。分布式光纤传感器因具有测量范围宽,测距长,高灵敏度和高精度而得到广泛应用,但它在油田领域的一些应用却相对陌生。本文的目的在于阐述分布式光纤传感器在数字油田应用中的研究进展,反映国内外对这块领域研究的现状,分析各种分布式光纤传感技术的优缺点,以此使得其在数字油田中有更好的应用前景。

基于瑞利散射的单端BOTDA系统温度特性研究

提出一种不受电光调制器传输曲线温度漂移现象影响的基于瑞利散射的单端布里渊光时域分析系统,并对系统所需的合成信号及温度特性进行分析,通过搭建单端布里渊光时域分析温度传感系统测量系统的温度特性。结果表明:通过测量布里渊增益谱获得的布里渊频移与温度呈良好的线性关系;由单端布里渊光时域分析温度测量系统获得的布里渊频移的温度系数为1.109MHz/℃,与传统双端布里渊光时域分析系统获得的1.20MHz/℃具有良好的一致性,在1.77km光纤上可实现9.5m空间分辨率的温度传感测量。

基于光散射的分布式光纤温度传感器网络及其在智能电网中的应用

介绍了基于光散射的分布式光纤温度传感网络的研究现状和发展趋势,主要阐述了基于瑞利散射、喇曼散射和布里渊效应的分布式光纤传感器的工作原理。在此基础上重点介绍了其在高压电缆、电力线沿线温度测量中的应用情况,探讨了传感光电缆替代原有的电缆和光缆,使光通信、电力传输、传感三合一的趋势。

一种新型瑞利BOTDA系统的研究

搭建了一种新型的基于瑞利散射的布里渊光时域分析(Rayleigh Brillouin optical time domain analysis,RBOTDA)传感系统。该系统工作在单端,能克服传统BOTDA双端接入的缺点;采用两个EOM并联的结构产生含有连续基底光的脉冲光,探测光由基底连续光的瑞利散射提供,避免了多种受激布里渊散射(stimulated Brillouinscattering,SBS)作用带来的干扰,信噪比更高,传感距离更长;采用双边带探测方法,有效减少泵浦脉冲的损耗与非本地效应。建模解析了该系统中的SBS作用过程,并实验验证了系统的可行性。结果表明,布里渊增益谱完好地贴合洛伦兹曲线,非本地效应得到了有效的抑制;在2.4km光纤上,室温25℃下泵浦脉宽50ns时,布里渊频移为10.867GHz,布里渊线宽约为40.21MHz。

分布式光纤温度传感器发展状况及趋势

阐述了分布式光纤温度传感技术的研究进展,主要介绍了基于瑞利散射、荧光效应、自发喇曼散射和布里渊效应以及利用掺光纤的分布式光纤温度传感器,并在此基础上分析了分布式光纤温度传感器的发展趋势。

OTDR原理及其应用

介绍了OTDR的测试原理和基于OTDR的分布式光纤传感器的传感原理,总结了它们在各个领域的应用情况,并指出了未来的发展趋势。

布里渊-掺铒光纤随机光纤激光器输出特性分析

设计了一种基于受激布里渊散射和掺铒光纤混合增益的随机光纤激光器,该激光器选用两段长为20km的单模光纤组成全开放腔结构,利用单模光纤的瑞利散射提供随机光反馈.研究表明,固定布里渊泵浦波长和泵浦功率分别为1 550.00nm和2.19mW时,增加掺铒光纤泵浦功率,可以实现两个波长的随机激光输出,一阶和二阶受激布里渊散射光与布里渊泵浦光波长间隔分别约为0.088nm和0.174nm,产生一阶和二阶受激布里渊散射对应的掺铒光纤泵浦功率分别为190mW和370mW;当掺铒光纤泵浦功率为433mW时,激光器两端的最大输出功率为1.60mW和1.68mW.当掺铒光纤泵浦功率明显高于阈值功率时,获得的一阶和二阶随机激光输出稳定,3dB线宽约为0.022nm,峰值强度和位置基本不随时间而变化.

光纤马赫-曾德干涉仪在自发布里渊散射测量中的应用

从理论上详细分析了全光纤马赫-曾德（Mach-Zehnder）干涉仪的光学滤波原理,将所研制的全光纤单通马赫-曾德干涉仪应用于自发布里渊散射测量中,初步实现了色散位移光纤中自发布里渊散射与瑞利散射的有效分离及自发布里渊散射谱的测量。

脉冲预泵浦瑞利BOTDA系统的解析模型与仿真

将脉冲预泵浦的概念引入瑞利布里渊光时域分析系统,利用由传感脉冲和经微波调制的预泵浦脉冲组成的阶梯脉冲作调制信号,通过作为探测光的时间有限的预泵浦脉冲1阶边带的瑞利散射与传感脉冲的受激布里渊作用,实现布里渊信号的时域整形,减小非本地效应;通过预泵浦脉冲0阶基带和传感脉冲的受激布里渊作用,实现布里渊信号的谱域整形,有效地解决空间分辨率和测量精度之间的矛盾。利用频域法求解瞬态耦合波方程,建立了阶梯脉冲光在光纤中受激布里渊作用的解析模型。仿真结果表明,当传感脉冲宽度为5 ns、峰值功率为100 m W,预泵浦脉冲宽度为50 ns、峰值功率为16 m W时,在空间分辨率0.5 m内受激布里渊散射增益在0.14 m处达到最大值,然后近似线性下降至0.37 m处,其余位置近似为零;系统布里渊散射谱宽近似为35 MHz,约为传统瑞利布里渊光时域分析系统布里渊谱宽212 MHz的1/6,在相同空间分辨率下提高了频率测量精度。