【摘 要】
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近些年,分布式光纤传感技术在大型土木工程、石油石化、隧道交通、高压输电线等领域得到了广泛应用。光纤的布里渊频移与温度和应变等环境因素呈线性关系,基于布里渊散射的分布式光纤传感系统就是根据这一原理实现传感。因为温度和应变同时对光纤的布里渊频移产生影响,所以布里渊频谱中只有单峰的光纤,无法同时测出温度和应变信息。对于复杂折射率分布的光纤,光纤中存在不止一个布里渊散射声模,因此布里渊频谱中含有多个峰值,
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近些年,分布式光纤传感技术在大型土木工程、石油石化、隧道交通、高压输电线等领域得到了广泛应用。光纤的布里渊频移与温度和应变等环境因素呈线性关系,基于布里渊散射的分布式光纤传感系统就是根据这一原理实现传感。因为温度和应变同时对光纤的布里渊频移产生影响,所以布里渊频谱中只有单峰的光纤,无法同时测出温度和应变信息。对于复杂折射率分布的光纤,光纤中存在不止一个布里渊散射声模,因此布里渊频谱中含有多个峰值,每个峰的布里渊频移对温度和应变的依赖性不同,利用双峰的频移可以同时求出温度和应变信息。本文设计的抗弯曲低损耗光纤属于复杂折射率分布的实芯光纤,采用多层纤芯和沟槽的结构。结合神经网络对抗弯曲低损耗光纤性能进行优化,并对其布里渊散射特性展开分析。主要工作如下:（1）利用有限元仿真软件对抗弯曲低损耗光纤进行设计,探索抗弯曲低损耗光纤多层纤芯和沟槽参数变化对基模有效模场面积和基模弯曲损耗的影响,经过对光纤结构的优化,抗弯曲低损耗光纤的基模有效模场面积可以达到212.8μm2,基模弯曲损耗可以降到8.2 ×10-8dB/m。随后提出基于神经网络反向设计的思路,最终抗弯曲低损耗光纤基模有效模场面积仅为199.9μm2,基模弯曲损耗仅为1.4 ×10-7 dB/m。（2）对抗弯曲低损耗光纤布里渊特性进行研究。使用有限元仿真分析法进行抗弯曲低损耗光纤的光学模式和声学模式分析,计算纤芯折射率和尺寸不同时抗弯曲低损耗光纤的布里渊频移和峰值增益,对布里渊频谱进行绘制,探究频谱变化趋势。最后,通过对比不同纤芯参数条件下的布里渊功率测量误差,从而判断抗弯曲低损耗光纤的优劣势,当抗弯曲低损耗光纤纤芯半径为6.0μm,轴心处折射率为1.4660时,三峰的频移分别为10.790、10.953、11.110GHz,三峰峰值功率接近,布里渊功率测量误差较小。（3）采用双光源相干探测技术,搭建布里渊光时域反射系统（BOTDR）,探究实验室使用的单模光纤和非零色散位移光纤温度-布里渊频移的变化规律,单模光纤温度灵敏度约为1.5MHz/℃,非零色散位移光纤双峰的温度灵敏度分别为5.5MHz/℃和6.0MHz/℃。本论文从仿真的角度实现抗弯曲低损耗光纤的设计,并提出神经网络反向设计的思路,为今后的光纤快速仿真、性能优化提供一种高效可靠的方案。作为一种复杂折射率分布的光纤,抗弯曲低损耗光纤很好的解决了温度和应变的交叉灵敏度问题,同时由于抗弯曲低损耗光纤的低损耗,高布里渊散射功率,使得温度和应变灵敏度更高,抗弯曲低损耗光纤为基于布里渊散射的双参传感技术提供了更加优异的方案。
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