【摘 要】
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基于后向受激布里渊散射(BSBS)的分布式光纤传感因其优异的传感特性而备受关注,其传感距离可达上百千米,空间分辨率可精确至厘米量级,目前主要的发展方向是实现快速测量和动态响应。近年来兴起的声阻抗光纤传感器,因其利用前向受激布里渊散射(FSBS)独特的横向声波,不仅能检测温度和应变,还能探测光纤外围的液体声阻抗,实现化学物质的分辨,这在油气勘探、水污染监测、化工监测等
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基于后向受激布里渊散射(BSBS)的分布式光纤传感因其优异的传感特性而备受关注,其传感距离可达上百千米,空间分辨率可精确至厘米量级,目前主要的发展方向是实现快速测量和动态响应。近年来兴起的声阻抗光纤传感器,因其利用前向受激布里渊散射(FSBS)独特的横向声波,不仅能检测温度和应变,还能探测光纤外围的液体声阻抗,实现化学物质的分辨,这在油气勘探、水污染监测、化工监测等液体检测方面具有重要的应用潜力。针对FSBS传感这一新领域,本文梳理和总结了其理论基础;提出一种基于FSBS分布式布里渊放大(DBA)的布里渊光时域分析(BOTDA)信号增强新方案;对基于FSBS的分布式声阻抗传感进行了优化研究。此外,本论文还设计实现了融合双带宽泵浦与光啁啾链(OCC)的无扫频超长BOTDA。研究内容总结如下:(1)提出基于FSBS-DBA的分布式传感信噪比增强新方案。基于BSBS的分布式布里渊放大(DBA)因其能有效地提升传感距离和信噪比而广为人知,然而其放大范围主要局限在光纤后端。针对该问题,本文首次将FSBS应用于BOTDA实现长距离脉冲放大。斯托克斯脉冲在光纤前端得到了有效放大,且能实现较为平坦的增益分布。作为概念验证,基于FSBS-DBA方案实现了～74.2km传感距离和～10m空间分辨率,布里渊频移(BFS)标准差全程小于～2MHz。该方案与BSBS-DBA互补,且泵浦效率相比传统的分布式拉曼放大(DRA)更高。(2)对FSBS分布式声阻抗传感进行了优化研究。借鉴前人激发和探测脉冲分离的思路,使激发脉冲产生FSBS横向声场,读取脉冲探测交叉相位调制(XPM),同时结合注入锁定稳定探测光的功率。利用BOTDA测量技术,合理选择BFS失谐量,抑制了零阶边带偏振噪声影响,获得了去涂覆层光纤在空气、水和无水乙醇中的FSBS本地谱,基于一阶边带增益谱实现了～635m传感距离和～15m空间分辨率,这对于FSBS声阻抗传感器的距离延伸有一定的参考价值。(3)快速感知是分布式光纤传感发展的一个关键方向。采用BSBS-DBA技术,只需毫瓦级泵浦功率就可以实现100km以上的温度/应变传感。本课题组前期报道了一种基于直接解调注入锁定双带宽泵浦的超长DBA-BOTDA方案,基于单频点100次平均实现了～148.3km传感范围和～5m空间分辨率。但是耗时的扫频使之难以实现快速响应。针对该问题,本文在此基础上结合啁啾链(OCC)技术实现了无扫频快速测量。此方案中,双带宽泵浦自适应补偿了脉冲损耗;注入锁定几乎完全抑制了寄生调幅噪声;使用调频泵浦有效抑制了非本地效应,允许探测输入功率增强至～9.7dBm。最终,在无扫频和200次平均条件下,完成一次测量只需～0.3s。
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