基于布里渊散射的分布式光纤传感技术
1.引言
光导纤维在通信系统中的应用早已为人熟知，如今全世界高速便捷的网络也离不开光纤的发展。除了光纤通信以外，还有另一类针对光纤的重要研究方向——光纤传感。
与传统的电类传感器相比，光纤传感器具有抗电磁干扰、重量轻、易于嵌入、成本低等优点。这些优势使得光纤传感技术在实际工程中的应用拥有非常乐观的前景。例如，在一些环境恶劣，如强磁场的检测条件下，电类传感器可能无法正常工作或者损坏，但是光纤传感器受到外界影响较小，仍能保持稳定的工作状态。在对建筑结构的检测中，光纤传感器同样是较佳的选择。由于光纤本身重量轻且纤细，可以方便地分布在建筑结构中，对结构的各个部位进行全面的监控。另外光纤嵌入后不会对结构造成较大的影响，使结构保持其原有的状态。
分布式光纤传感是光纤传感技术中的一个研究热点，其优势是能够测试光纤沿线各点处的传感参量。虽然一般情况下其测试精度不如高精度的点式传感器，如光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)，但是其利用光纤的特性真正实现了“全分布式”的传感。前述对建筑结构的检测，即是分布式光纤传感的一个重要应用。
基于布里渊散射的分布式传感技术是分布式传感中的研究热点，因其能够对应变与温度实现较高精度的单参量或双参量同时测量，在实际应用中亦有广阔的前景。本文仅关注其中的一种——布里渊光时域反射技术(Brillouin Optical Time-domain Reflectometry, BOTDR)。布里渊光时域反射技术是最简单的一种形式，其空间分辨率、测量精度等不如其他更为复杂的布里渊传感技术，但是拥有更简单的系统结构和单端测量的优势，且其性能指标已经可以满足许多应用的要求，因此在实际应用中更受欢迎。
由于布里渊光时域反射技术测量的是自发布里渊散射，其信号微弱，信噪比较低。并且其各项性能指标之间相互制约，难以得到同时提高，例如空间分辨率和频移精度之间存在的权衡问题。为了试图解决或改善这些问题，本文对其重要的性能参数进行详尽分析，将对布里渊光时域反射技术中的信号处理技术和编码
方法进行深入研究，以进一步提升BOTDR 系统的性能。
所有的布里渊传感分布式技术皆以获得光纤上不同位置处的布里渊散射信息为手段，获知布里渊散射信息对应的被测传感量。不论其基本原理是从时域，频域还是相干域入手，最终都需要转换到光纤沿线空间域，获得“不同位置处”的布里渊散射信号，即所谓的“分布式”测量。
2. 基于布里渊散射的分布式光纤传感分类
基于布里渊散射的分布式传感技术可分为两大类：基于受激布里渊散射(Stimulated Brillouin Scattering, SBS)的技术和基于自发布里渊散射的技术(Spontaneous Brillouin Scattering, spBS)。基于分析技术的传感器或传感系统一般有较好的性能，因为基于SBS 的系统有较高的信噪比(signal-to-noise ratio, SNR)，从而使其信号探测和信号处理较为简单，但是分析技术一般需要从光纤两端同时探测；另一方面，基于spBS 的反射技术信号较弱，需要复杂的信号处理方法，但是其优点是只需在光纤的一端探测，并且在光纤断裂的时候仍可测量从探测端到断点之间的光纤总体来说，相比于反射技术，分析技术的研究工作获得了更多的关注。如果从布里渊分布式传感技术的历史发展看，分析技术在引领潮流而反射技术一直在跟随分析技术的发展。换言之，在分析技术中已被验证的技术或方法往往被尝试采样到反射技术中。
2.1 布里渊光时域反射技术（BOTDR ）
BOTDR 是利用探测spBS 来实现传感的布里渊分布传感技术，也是本论文将要研究的重点内容。其基本原理如图2-1所示。通过在光纤一端注入频率为f 的脉冲光，可以获得中心频率为B f f 的背向spBS 信号，其中B f 为布里渊频移(Brillouin Frequency Shift, BFS)。对这一微弱的信号进行探测和信号处理后，即可通过spBS 的频移或强度等参量实现对温度或应变的分布式传感。
现有BOTDR 中，采用相干自外差的探测方式是最普遍的，因为这一方式不仅可以极大地提高信号的强度，还可把光信号方便地转移到较低的中频频率上进行信号处理。
传统的BOTDR 系统空间分辨率受制于声子寿命(~10ns)，一般不低于1m 。目前已经报道的空间分辨率小于1m 的BOTDR 系统很少，一种方法是采用“双脉冲”相干的方法，得到了20cm 的空间分辨率。在传感距离的提升方面，可以采用Raman 放大的方案，已经在50m 的空间分辨率下实现150km 的传感距离[7]。编码的方法也被引入到BOTDR 系统中，有效地提高了系统的SNR 。
图2-1 BOTDR 基本原理
2.2 布里渊光时域分析技术（BOTDA ）
BOTDA 是基于SBS 的布里渊光时域分析技术。其基本原理如图2-2所示。在光纤的一端注入频率为f 的脉冲光，在另一端注入频率在B f f ±附近的连续光。在脉冲到达的位置处，脉冲和连续光会产生SBS ，从而使得连续光在该位置处获得增益或衰减，不同位置处连续光的功率变化在时域上被探测到。连续光频率在B f f ±附近变化，即可获得整条光纤沿线的布里渊增益谱，通过对增益谱中心频率的测定，即可实现分布式的温度或应变传感。
BOTDA 可以分为增益型和损耗型。增益型BOTDA 测试的是连续光的布里渊增益谱，频率为f 的脉冲作为泵浦，频率为B f f -的连续光作为斯托克斯光，即光功率从脉冲向连续光转移，在这种方式下脉冲功率会逐渐耗尽。损耗型BOTDA 测试的是连续光的布里渊损耗谱，频率为f 的脉冲作为斯托克斯光，频率为B f f +的连续光作为泵浦，即光功率从连续光向脉冲转移，这种方式下脉冲的功率逐渐增强，即相比于增益型BOTDA ，可以获得更长的传感距离。因此，目前损耗型的BOTDA 是最常见的方案。
BOTDA 系统同样受到声子寿命的限制，即空间分辨率一般不低于1m 。但是与BOTDR 不同的是，研究者已经在BOTDA 中开发出了大量可以提升其性能的方法，其中很多方法已经为人所熟知。例如，采用精细的信号处理方法对频谱进行分析可以得到25cm 的空间分辨率，使用50/49ns 的脉冲差分可以获得0.18m 的空间分辨率[5]。另外，采用预泵浦脉冲的方法可以达到10cm 的空间分辨率[16]，采用暗脉冲的方法可以达到2cm 的空间分辨率。
图2-2 BOTDA 基本原理
2.3 布里渊光相干域分析技术（BOCDA ）
BOCDA 是基于光学相干的布里渊分布式传感技术，应用了光学相干函数合成(Synthesis of Optical Coherence Function, SOCF)的原理。其系统与基于时域的传感技术相比较为复杂。其特点是较高的空间分辨率和测量速度，但是传感距离较短，可应用于小型结构或智能材料中的应力分析或温度测量。该技术的基本原理如图2-3所示。光纤两端分别注入中心频率为f 的泵浦光和中心频率为B f f 的探测光，一般以频率m f 的正弦波对两束光进行相同的频率调制。依据SOCF 的原理，在光纤中会出现周期性的相干峰，即在相干处有较强的SBS 效应，而在非相干处SBS 效率最低。若调整参数使得光纤中只留一个相干峰，则实现了对某一点的传感。通过调整调制频率m f ，可以改变相干峰的位置，即实现对整条光纤的传感。由于采用了连续光，空间分辨率不再受到声子寿命的限制。
同样有若干方法来提升BOCDA 系统的性能。例如，通过强度调制可以提升系统的SNR ；通过时间窗的方法延长了传感距离，在1km 光纤上实现了7cm 的空间分辨率；通过使用单边带的调制器和双锁模放大器，实现了1.6mm 的极限分辨率；通过使用非平衡Mach-Zehnder 延迟线实现了1kHz 的采样率。
图2-3 BOCDA 基本原理
2.4布里渊光相干域反射技术（BOCDR ）
BOCDR 原理与BOCDA 类似，是基于spBS 的反射技术，原理图如图2-4所示。依据SOCF 原理，spBS 信号和参考光的外差探测给出部分相干的结果，即选出了相干峰处的布里渊散射信号。在这一系统中，实现了13mm 的空间分辨率以及19Hz 的采样速率。通过加时间窗的方法，在1km 光纤上达到了66cm 的空间分辨率和50Hz 的采样率；通过双调制的方法，在1.5km 光纤上实现了27cm 的空间分辨率。可以看到基于spBS 的系统性能逊于基于SBS 的系统。
图2-4 BOCDR 基本原理
2.5 布里渊光频域分析技术（BOFDA ）
BOFDA 从频域的角度实现分布式传感，其基本原理如图2-5所示。为了得到布里渊散射的分布式信号，只需得到信号的频率响应，即可通过逆傅里叶变换获得时域信号。这种方法中同样采用了连续光，故空间分辨率不会受到声子寿命(~10ns)的限制。对在光纤一端注入的泵浦光使用正弦信号进行强度调制，调制频率m f ，另一端注入直流的探测光，频率在B f f 附近。通过在整条光纤上的SBS 过程，直流探测光获得了与泵浦光相同的调制频率。通过改变调制频率m f ，和矢量分析仪的分析，即可由探测光获得整条光纤的频响。在信号处理端采用反傅
里叶变换(IFFT)即可恢复出时域信息。BOFDA可以达到cm量级的空间分辨率，但是只能有数百米的测量距离。
图2-5 BOFDA基本原理
3. 布里渊分布式光纤传感技术小结
从以上5种不同的布里渊分布式传感技术可以看到，基于spBS的反射技术性能一般逊于基于SBS的分析技术。这是由于spBS本身较弱的信号，给精细的测试带来了极大的难度。可以说与SBS系统较强的SNR相比，反射技术受单端测量限制可进行的优化不多，针对spBS反射技术的研究也较少。从另一角度看，基于SBS的分析技术中现在也可实现单端测试。不论在BOTDA中还是在BOCDA中，均已经提出了利用光纤末端的菲涅尔反射实现单端测试的方法，但需要对光纤末端进行处理。
另一方面，基于SBS的分析技术中近年提出了很多新的方法来提升性能，这得益于其较为灵活的两端测量方式。例如，利用布里渊动态光栅(Brillouin Dynamic Grating, BDG)实现超高分辨率和温度应变分离的传感，以及在BOTDA 中应用外差相干探测来提升动态范围和利用SBS引起的相位变化实现传感。
但是各种基于SBS的分析技术从应用角度看，系统结构复杂，成本较高，光纤出现断裂就会导致传感系统无法工作。而基于spBS的反射技术以其系统结构简单、可实现单端测量的优势，在实际工程应用中更受青睐。
光 通 信 技 术V o l.23 O PT I CAL COMM U N I CA T I ON T ECHNOLO GY N o.1 中国电信技术类核心期刊 受激布里渊散射对光纤传输系统特性的影响α 王晖 谢世钟 谢 涌 吴小萍 孙成城 周炳琨(清华大学电子工程系北京100084) 摘要 受激布里渊散射(SB S)是光纤传输系统中一种重要的非线性效应,它限制了光纤中的光功率。文中主要讨论了SB S的阈值特性与光源静态线宽及光源调制类型的关系,并通过实验进行了验证。同时,还研究了SB S效应对系统误码率特性的影响。所得结果可为系统设计工作中考虑SB S的影响提供一定依据。 关键词 受激布里渊散射 光纤传输系统 Effect for Character istic of Optica l F iber Tran s m ission Syste m due to Sti m ula ted Br il-lou i n Sca tter i ng W ang Hu i,X ie Sh izhong,X ie Y ong,W u X i aop i ng,Sun Chengcheng, Zhou B i ngkun Tsi nghua Un iversity,Be ij i ng100084 Abstract Sti m u lated B rillou in Scattering(SB S)one of i m po rtan t non linear op tical ef2 fects in op tcal fiber tran s m issi on system,it li m its the op tical pow er that can be tran s m it2 ted th rough fiber.In th is p aper,the relati on sh i p of SB S th resho ld characteristic w ith linew idth of ligh t sou rce and m odu lati on typ es w as talked abou t,and w as app roved by exp eri m en ts.A t the sam e ti m e,w e have investigated the effects fo r b ite ero r rate charac2 teristic of system due to SB S. Keywords Sti m u lated b rillou in scattering Op tcal fiber tran s m issi on system 1 引言 在长距离光纤通信系统中,大功率半导体激光器和掺铒光纤放大器(ED FA)被广泛使用,使得传输线路中的光功率提高到很高的水平,最高点可达到50甚至100mW,这就可能导致产生各种光纤非线性效应,对系统传输质量产生较大影响。其中受激布里渊散射(SB S)因阈值较低,在窄线宽情况下可能达到仅仅几个mW的量级,而对系统的影响最大[1]。 SB S是一种在光纤内发生的非线性过程,一旦光纤中传输的光功率超过布里渊阈值,SB S将把部分输入功率转换为后向斯托克斯波,造成传输光强不稳定,从而引入噪声,影响接收灵敏度,而且SB S带来泵浦消耗,使接收端功率远小于无SB S效应时的功率,极大地恶化系统传输特性[2]。因此,在光通信系统中,必须保证进入光纤的功率低于SB S阈值。 本文研究了光源为连续光(C W)及光源 α
布里渊散射激光雷达探测技术研究 【摘要】基于布里渊散射的激光雷达探测技术是一种新型的探测技术，已经在大气国防、环境监测、气象保障、等领域受到越来越多的关注。在20km以下，较长波长的激光能分辨出更明显的布里渊频移，利用该频移，可进行空气中隐身目标的探测。此外，还可以用布里渊信号来精确测量大气不同高度的温度、压强等物理参数。 【关键词】激光雷达；布里渊散射；频移；高度 引言 激光雷达在目标跟踪与识别，导航制导、大气探测等领域发挥着重要作用。常规的激光雷达是通过测量目标的反射回波信号幅度来获得目标的参数信息，近年来，基于调频的探测方法越来越受重视，特别是瑞利、布里渊散射探测技术在星载、机载大气探测系统中的成功应用，已显示出高灵敏度、高信噪比，探测系统结构简单，适用范围广等优点。马泳等人用大气布里渊散射来探测大气温度，该方法测量大气温度的不确定度小于0.4256K[1]。用探测布里渊散射频移信号来探测水下隐身目标，该方法不是探测隐身目标本身的回波信号，而是通过探测隐身目标周围环境的布里渊信号变化来发现和跟踪隐身目标。实验证明基于布里渊散射的探测方法具有很好的反隐身性[2]。大气层内飞行器周围大气温度低、高压、气体分子扰动剧烈，存在很强空气激波等特征，这些特征使利用隐身飞行器周围大气布里渊散射来探测隐身目标成为可能。 用布里渊散射来探测水下隐身目标时，水中发生的布里渊频移约为7.5GHz，用高光谱分辨率探测器能直接分辨出布里渊散射频移信号，在探测点附近有目标时，布里渊信号消失或变得极不明显，无目标时无此现象[3]。在大气中，由于散射介质和水中不同，大气布里渊散射频移大约在 1.03～1.3GHz，以目前的技术很难把布里渊信号和瑞利信号分开，这给利用布里渊散射进行大气探测带来了很大困难，我们首次提出通过预先建立大气布里渊散射模型，然后借助模型对实际探测信号进行布里渊特征频谱分析来探测大气中的隐身目标。 1.大气布里渊散射理论基础 大气布里渊散射和水的布里渊散射的原理相同，只是介质不同，根据布里渊散射探测水下隐身目标的实验结果：当激光探测点附近存在隐身目标时，布里渊峰会消失或变得不明显，无目标时，布里渊峰比较稳定的对称分布在瑞利峰的两侧。在大气高度小于20km的标准大气中，激光波长越长，两侧对称的布里渊峰越明显；温度越低，压强越大，布里渊峰越明显。在同一波长条件下，离海平面越近，布里渊峰越强。这些特征不仅使利用大气布里渊散射探测20km以下的空中隐身目标成为可能，而且更有利于海面上的隐身舰船等目标的探测。20km及以上，由于压强急剧下降，空气气体分子密度小，不同激光波长的布里渊散射峰变得不明显，且几乎隐藏在瑞利散射谱内，不利于隐身目标的探测。
光纤中的散射光 当光（电磁）波射入介质时，若介质中存在某些不均匀性（如电场、相位、粒子数密度n、声速v等）使光（电磁）波的传播发生变化，有一部分能量偏离预定的传播方向而向空间中其他任意方向弥散开来，这就是光散射。光的散射现象的表现形式是多种多样的，从不同的角度出发，可有不同的分类，但从产物的物理机制来看，可以分为两大类： 第一类是非纯净介质中的光散射，该散射现象不是介质本身所固有的，而强烈地依赖于掺杂进来的散射中心的性质或介质本身的纯净度。其规律主要表现为：散射光的频率与入射光的频率相同；散射光的强度与入射波长成一定关系。 第二类是纯净介质中的散射，即使所考虑的介质是由成分相同的纯物质组成，其中不含有外来掺杂的质点、颗粒或结构缺陷等，仍然有可能产生光的散射现象，这些散射现象是介质本身所固有的，与介质本身的纯净度没有本质上的关系。属于这类纯净介质的散射现象有如下几种： 1）瑞利散射设介质是由相同的原子或分子组成，由于这些原子或分子空间分布的随机性的统计起伏（密度起伏），造成与电极化特性相应的随机性起伏，而形成入射光的散射。这种散射现象的特点是频率与入射光频率相同，在散射前后原子或分子内能不发生变化，散射光强度与入射光波长的四次方成反比。 2）拉曼散射这种散射现象通常发生在由分子组成的纯净介质中，组成戒指的分子是由一定的原子或离子组成的，它们在分子内部按一定的方式运动（振动或转动），分子内部粒子间的这种相对运动将导致感生电偶极矩随时间的周期性调制，从而可以产生对入射光的散射作用；在单色光入射的情况下，这将是散射光的频率相对于入射光发生一定的移动，频移量正好等于上述调制频率，亦即与散射分子的组成和内部相对运动规律有关。 3）布里渊散射对于任何种类的纯净介质来说，由于组成介质的质点群连续不断的做热运动，使得在介质内始终存在着不同程度上的弹性力学振动或声波场。连续介质的这种宏观弹性力学振动，意味着介质密度（从而也是折射率）随时间和空间的周期性起伏，因而可对入射光产生散射作用，这种作用类似于超声波对光的衍射作用，并且散射光的频移大小与散射角及介质的声波特性有关。
光纤光栅传感器是一种常用的光学传感器件，分布式光纤光栅就属于准分布式光纤传感器件中的一种。选题方向合理。请尽快确定课题完成方式，明确研究内容，尽快开展课题调研论证工作。75 分布式光纤光栅传感技术 光纤传感技术是一种以光纤为媒介，光为载体，感知和传输外界信号（被测量）的新型传感技术，是伴随着光导纤维及光纤通信技术发展而逐步形成的。在光通信系统中，光纤被用作远距离传输光波信号的媒质，在这类应用中，光纤传输的光信号受外界因素的影响越小越好，但是，在实际的光传输过程中，光纤容易受到外界环境因素的影响，如温度、压力、应变等外界条件的变化将引起光纤中传输光波的特征参数如频率、相位、光强、偏振态等的变化，通过测量这些参数的变化，就可以得到外界作用于光纤的物理量，这就是光纤传感技术。光纤传感技术的基本原理是：将光源的光入射进光纤，当光在光纤中传输的过程中受到外界物理量影响，使得被测参数与光纤内传输的光相互作用，进行调制，从而使其光学性质如光的频率、波长(颜色)、强度、相位、偏振态等发生变化成为被调制的信号光，然后将这一调制的信号光送入光探测器中进行解调，经信号处理后就可获得被测参数。 光纤传感器与传统传感器相比具有许多明显优势： 1）体积小、重量轻，几何形状具有多方面的适应性，可以做成任意形状的传感器和传感器阵列。 2）抗电磁干扰能力强、耐高温、耐腐蚀，在易燃、易爆环境下安全可靠。 3）光纤传感器件多是无源器件，对被测对象影响较小。 4）便于复用，便于成网。它既可以作为信息的传递媒介，又可以作为信号测量的传感装置。 5）光纤传感器传输频带宽，动态范围大，测量距离长。 光纤传感器的种类很多，按照其工作方式可分为：点式、准分布式和分布式三类。其中，准分布式光纤传感器是使用传感网络系统进行测量的，其光纤不作为传感元件，只作为传输元件，其敏感元件为多个点式的传感器，它们采用串联或各种网络结构形式连接起来，利用波分复用、时分复用或频分复用等技术形成分布式网络系统，进而可以较精确地分时或同时得到被测量信息的空间分布，也可同时得到某一点或某些空间点上不同被测量的分布信息。 光纤光栅传感器除了具有一般光纤传感器耐高温、耐腐蚀等优点之外，还具有波长编码，抗干扰能力强等特性。另外，它较易于在一根光纤中连续写入多个光栅，以制成分布式光纤光栅传感，制得的光栅阵列轻巧柔软，可与渡分复用或时分复用技术等相结合，且十分适于作为分布式传感兀件贴于结构表面或埋人到材料和结构的内部，以实现对结构应变、温度以及压力等的多点监测，这对于目
分布式光纤传感技术报告-12.10
摘要 分布式光纤传感技术是在70年代末提出的，在这十几年里,产生了一系列分布式光纤传感机理和测量系统,并在多个领域得以逐步应用。目前, 这项技术已成为光纤传感技术中最具前途的技术之一。本文主要介绍了光纤的相关特性，分布式光纤传感技术的特点、作用及其分类，详细论述了各种分布式光纤传感器的原理、分布式光纤传感技术的研究现状和具体应用。 关键字：光纤分布式光纤传感技术原理研究现状应用
目录 摘要 引言 1、分布式光纤传感技术简介 1.1光纤基础知识 1)光纤的结构特性 2)光纤的机械特性 3)光纤的损耗特性 2、分布式光纤传感技术原理 2.1 基于光纤后向散射的全分布式光纤传感技术 2.1.1 基于OTDR的微弯传感器 2.1.2 基于自发拉曼散射的光时域散射型（ROTDR）传感器 2.1.3基于受激拉曼效应的传感器 2.1.4基于自发布里渊散射的光时域反射型（BOTDR）传感器 2.1.5基于受激布里渊散射效应的传感器 1)基于布里渊散射的光时域分析型（BOTDA）传感器 2)基于布里渊散射的光频域分析型（BOFDA）传感器 3)基于布里渊散射的光相关域分析型（BOCDA）传感器 4)基于布里渊散射的光相关域反射型（BOCDR）传感 2.1.6基于瑞利散射的偏振光时域反射型（POTDR）传感器 2.1.7基于相位敏感的光时域反射型（Φ-OTDR）传感器 2.2 长距离干涉传感技术 2.3 基于光纤干涉仪的准分布式光纤传感技术 2.4 基于FBG的准分布式光线传感技术 3、分布式光纤传感技术国内外研究进展 4、分布式光线传感技术应用实例
基于布里渊散射的分布式光纤传感器综述 一引言 光纤传感器具有无辐射干扰、抗电磁干扰性好、化学稳定性好等优点，受到越来越多的重视。其中分布式光纤传感器（DOFS）不仅具有一般光纤传感器的优点，而且可以在沿光纤的路径上同时得到被测量场在时间和空间上的连续分布信息。能做到对大型基础工程设施的每一个部位都象人的神经系统一样进行远程监控。因此具有广范的应用前景，在民用和国防诸如城市煤气管道、城市输电/通信缆线、海底输油气管道、海底电缆、水库水坝、桥梁、隧道、高速公路、大型设施等建筑物的应力温度检测方面有独特的优势，因此受到越来越多的重视。 由于分布式光纤传感器具有其它传感技术无法比拟的优点，因此成为目前传感技术研究领域的热点之一。目前对它的研究主要集中在以下三个方面：（1） 基于瑞利散射的分布式光纤传感技术； （2） 基于拉曼散射的分布式光纤传感技术； （3） 基于布里渊散射的分布式光纤传感技术。 瑞利散射是入射光与介质中的微观粒子发生弹性碰撞所引起的，散射光的频率与入射光的频率相同．在利用后向瑞利散射的光纤传感技术中，一般采用光时域反射（OTDR）结构来实现被测量的空间定位，基于瑞利散射的研究已经趋于成熟, 并逐步走向实用化。基于后向瑞利散射的传感技术是现代分布式光纤传感技术的基础，它在80年代初期得到了广泛的发展．然而由于该技术难以克服测量精度低、传感距离短的缺陷，目前在这方面的研究已鲜有报道．拉曼散射DOFS利用的是光纤中的自发拉曼散射光，信号微弱，较自发布里渊散射信号约低一个数量级，因此传感性能较低且难以实现几十公里以上的长距离传感；另外拉曼散射只对温度敏感，难以用于地质、建筑结构等的健康检测。而光纤的布里渊散射对温度和应变都敏感，通过检测来自传感光纤的布里渊散射光的频移和强度，布里渊散射DOFS得到沿光纤分布的温度或应变信息；并且工作于1.55μm波长附近的布里渊散射DOFS，光信号受到的衰减和色散较小，从而使得布里渊散射DOFS适合于长距离（大于几十千米）分布式传感。 虽然基于布里渊散射的分布传感技术的研究起步较晚, 但由于它在温度、应变测量上达到的测量精度、测量范围以及空间分辨率均高于其他传感技术, 因此这种技术目前得到广泛关注与研究。 布里渊散射DOFS主要有布里渊光时域反射计（BOTDR）、布里渊光时域分析（BOTDA）、布里渊光频域分析（BOFDA）三种，由于具有不同的光信号处理结构和布里渊散射作用机制，因此他们具有不同的性能特点和适用场合。另外日本的保利和夫教授提出的基于基于布里渊相关域分析（BOCDA、BOCDR）的光纤传感技术也有自己独到的地方。 基于自发布里渊散射的BOTDR，拥有单端光信号处理的优点，但由于自发布里渊散射光较微弱，传感器的分辨率和响应时间受到很大的制约。 基于受激布里渊散射的BOTDA，具有检测信号较强的优点，相对于BOTDR，传感器的分辨率和响应时间可得到有效的改善，但BOTDA一般需要对传感光纤的两端进行光信号处理，使用场合受到一定的限制。 基于布里渊光频域分析的BOFDA，和BOTDR、BOTDA相比，BOFDA同
文章编号:025827025(2005)0420497204 单模光纤中受激布里渊散射阈值研究 沈一春,宋牟平,章献民3,陈抗生 (浙江大学信息与电子工程学系,浙江杭州310027) 摘要 分析和讨论了受激布里渊散射(SBS )阈值计算的Smith 模型和K üng 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25km 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(BO TDR )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。关键词 光电子学;单模光纤;布里渊时域反射仪;受激布里渊散射中图分类号 TN253 文献标识码 A Analysis and Measurement of Stimulated Brillouin Scattering Threshold in Single Mode Fiber SH EN Y i 2chun ,SON G Mu 2ping ,ZHAN G Xian 2min ,C H EN Kang 2sheng (De partment of I nf ormation and Elect ronic Engineering ,Zhej iang Universit y ,H angz hou ,Zhej iang 310027,China ) Abstract The Smith ′s model and K üng ′s model for calculating the threshold of stimulated Brillouin scattering (SBS )are analyzed and discussed.The more exact method is investigated.The relationship between critical gain coefficient and fiber length is obtained ,which shows that the critical gain coefficient can be considered as constant only when fiber length is long enough.The SBS threshold of 25km single mode fiber is measured by experiment.Finally ,the experiment to measure SBS threshold using Brillouin optical 2time 2domain reflectometer (BO TDR )is done.The results are well agreed with the theoretical predication. K ey w ords optoelectronics ;single mode fiber ;Brillouin optical 2time 2domain reflectometer ;stimulated Brillouin scattering 收稿日期:2004202217;收到修改稿日期:2004207206 基金项目:浙江省自然科学基金(M603127)资助项目。 作者简介:沈一春(1979— ),男,江苏南通人,浙江大学信息与电子工程学系博士研究生,主要从事光纤光子学方面的研究。E 2mail :syczju @https://www.doczj.com/doc/a53463510.html, 3通信联系人。E -mail :zhangxm @https://www.doczj.com/doc/a53463510.html, 1 引 言 受激布里渊散射(SBS )是一种光纤内发生的非线性过程,抽运波通过电致伸缩产生声波,然后引起介质折射率的周期性调制。抽运引起的折射率光栅通过布拉格衍射抽运光,由于多普勒位移与声速移动的光栅有关,散射光产生了频率下移,形成了斯托克斯波[1]。受激布里渊散射是光纤中的一种常见的非线性现象,通常会对光通信系统造成危害[2～4]。但近些年来,光纤中的受激布里渊散射在激光器、放大器、滤波器、传感器等许多领域的应用引起了人们 极大的关注[5～9]。光纤中布里渊散射一旦达到阈 值,受激布里渊散射将把绝大部分输入功率转换为后向斯托克斯波。因而研究光纤中的布里渊散射阈值显得十分必要。Smit h 提出了布里渊散射阈值的理论估算法[10],由于当时光纤损耗较大,这样的理论估算法应用于现在低损耗光纤并不准确。传统上测量光纤中布里渊散射阈值的系统搭建比较复杂,而且不适合野外作业。C. C.Lee 等[11]提出了使用布里渊时域反射仪(BO TDR )测量光纤中布里渊散射阈值的简单方法,但使用的理论模型中将布里渊 第32卷 第4期2005年4月 中 国 激 光 C H IN ESE J OU RNAL O F L ASERS Vol.32,No.4 April ,2005
分布式光纤传感器系统测量原理 [摘要]: 光在光纤中传播，光与介质中光学声子、声学声子发生碰撞，会产生后向散射的光，这些后向散射的光的频率、强度均会发生改变。其改变量的大小与折射率等有关，而折射率等因素受光纤的应变、温度的影响。 [关键词]：光纤；光纤传感器；测量 中国分类号：TN6 文献标识码：A 文章编号：1002-6908(2007)0110021-01 1．BOTDR的分布式温度和应变测量 BOTDR的分布式应变测量原理，当入射光在光纤中传播时，入射光会与声波声子相互作用，产生布里渊散射。其散射光的传播方向与入射光的传播方向相反。当入射光的波长那布里渊散射的最大能量的频率与入射光的频率之差大约是11GHz。这个频移量就叫做布里渊频移。如果光纤沿径向发生了应变，那布里渊散射对应于应力的频移量，如图1所示： 为了测量分布式的应变，通过使用BOTDR技术，沿着光纤观测布里渊散射光的频谱，确定布里渊频移的大小，从而达到测量应力的目的。如图2所示。在光纤的一端脉冲光入射，同时在这端使用时间域的BOTDR接收布里渊后向散射光。因此，产生布里渊散射的位置与脉冲光发射的位置的距离Z可以由下列登时确定，在这个式中，时间T是发射脉冲光与接收的布里渊散射光的时间差。 为了能获得布里渊散射光的频谱，我们重复上面所做的步骤，我们缓慢的改变入射光的频谱宽度。在布里渊散射光的不同频率段，我们能获得大量的分布式能量。如图2所示。所以，我们能够从获得的布里渊散射光的波形，知道在光纤中任何位置，那散射光的频谱。所以，我们固定频谱到那些Lorentzian弯曲和使用能量峰值的频谱。通过相应弯曲位置的应力。 应变与布里渊频率的改变量的各自联系。在实际的测量中，测量之前，（1）中的系数和布里渊频移可以在无应变时测量出来。然后，频移转换成应变。 注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。
Journal of Oil and Gas Technology 石油天然气学报, 2019, 41(6), 80-82 Published Online December 2019 in Hans. https://www.doczj.com/doc/a53463510.html,/journal/jogt https://https://www.doczj.com/doc/a53463510.html,/10.12677/jogt.2019.416100 Application of Distributed Optical Fiber Sensing Technology Based on Brillouin Scattering in Pipeline Safety Monitoring Tao Wang1, Hao Lu2, Yu Bai2, Xiaoke Li2 1Design Branch of China Petroleum Pipeline Engineering Co. Ltd., Langfang Hebei 2China Petroleum Pipeline Engineering Co. Ltd., International, Langfang Hebei Received:Aug. 20th, 2019; accepted: Oct. 18th, 2019; published: Dec. 15th, 2019 Abstract This paper introduces the distributed optical fiber sensing technology principle of temperature and strain measurement through combining the pipeline security monitoring method. The DiTeSt distributed optical fiber monitoring system based on brillouin scattering principle is used for im-plementing the pipeline safety monitoring of pipe deformation, pipe pushing mobile, pipeline leak and erosion in the pipeline monitoring project of the Andes pipeline. The pipeline monitoring system can provide warning of pipeline disaster events timely and effectively, improve the effi-ciency of the pipeline safety monitoring, ensure the normal and safety operation of pipelines and reduce the pecuniary loss of operators. Keywords Pipeline Safety Monitoring, Brillouin Scattering, Distributed Optical Fiber Sensing System, Safe Operation
分布式光纤传感技术在地震监测中的应用探讨 刘文义 （中国地震局第二监测中心，陕西西安 710054） 1 分布式光纤传感技术 分布式光纤传感利用光导纤维具有的传感、传输双重特性，实现对被测量对象沿光纤分布的多点甚至连续测量，以达到取代多台独立点传感器的目的。它既具有光纤的抗电磁场干扰、大信号传输带宽等优点，又突破了点式光纤传感的限制，可以同时获得被测量对象测量参数的空间分布及其随时间变化的信息，并使之能够进行远距离遥测监控，在许多工程领域有重大的应用价值。 分布式光纤传感技术主要有3个方面的突破：①基于瑞利散射的分布式光纤传感技术；②基于拉曼散射的分布式光纤传感技术；③基于布里渊散射的分布式光纤传感技术。基于布里渊散射的分布式传感技术的研究起步较晚，但由于它在温度、应变测量上所达到的测量精度、测量范围以及空间分辨率均高于其他传感技术，因此，这种技术在目前得到广泛关注与研究。 2 布里渊分布式光纤传感系统研究现状和产品性能分析 （1）传感方案的研究现状。目前，基于布里渊散射的分布式光纤传感系统从方案上分主要有三种：时域反射计（BOTDR）的光纤传感技术、时域分析（BOTDA）的光纤传感技术、光频域分析（BOFDA）的光纤传感技术。由于基于BOTDR的传感方式最大的优点是只需要单端入射，结构简单，从而在实际应用中会很方便，所以，目前国内外对此方案的研究投入相对较多，是技术与产品最成熟的光纤传感器。 （2）传感系统性能的研究现状。对传感系统的性能的研究成果比较突出的主要集中在以下4个方面：温度或应变传感系统的研究；温度和应变同时传感系统的研究；提高系统空间分辨率的研究；提高系统传感距离的研究。 （3）主要分布式光纤传感器产品。目前主要有日本、英国、瑞士、加拿大等国的公司生产商用产品。 3 分布式光纤监测技术的最新进展 （1）国际研究进展。近年来，光纤传感器研究现状和发展趋势呈现出以下几个方面的特点：传感监测的解调技术更加先进，性能和指标更加精确和准确；分布式监测越来越受重视，已成为地质、岩土和土木工程监测的发展方向；应用技术的研究在不断加强，包括光纤传感器的封装技术，特种传感光纤的研制，传感光纤的铺设和安装技术等；相关技术的应用领域和范围迅速扩大。 （2）我国研究应用现状。近几年，我国在研究和应用方面有了长足的发展，新型传感技术不断涌现，工程的应用面不断扩大。与国际上一些先进国家相比还存在着一定的差距，主要体现在一些核心的传感解调技术还掌握在少数国家手中，监测仪器昂贵导致这些先进技术的推广和应用受到了很大影响。 4 在地震监测中的可行性研究 与目前地震监测的方法相比，分布式光纤传感器除具有结构简单、灵敏度高、耐腐蚀、电绝缘、防爆性好、抗电磁干扰、光路可挠曲、易于与计算机连接、便于遥测等优点外，其最显著的优点就是可以测出光纤沿线任一点上的应变、温度和损伤等信息，实现对监测对象的全方位立体监测。因此，引进、研究和开发分布式光纤应变/温度观测技术对活动块体边界带（或断裂带）的监测具有重要意义。 （作者信箱：sf55@https://www.doczj.com/doc/a53463510.html,） 101
分布式光纤传感温度报警系统Ξ 张在宣 郭 宁 余向东 吴孝彪 (中国计量学院光电子技术研究所,杭州310034) 摘 要 研制了一种由分布光纤温度传感器系统组成的新型在线自动温度检测、报警系统,它是一种特殊的光纤通信网络,也是一种光纤雷达。文中讨论了系统的工作原理、调制与解调原理,系统的组成结构和系统的报警特性。在一根2km光纤上可采集一千个温度信息并能进行空间定位,是一种理想的温度报警系统。 关键词 分布光纤温度传感器 光时域反射技术 温度报警系统 一、前 言 分布式光纤温度传感器系统实质上是分布光纤喇曼(Raman)光子传感器(DOFRPS)系统,它是近年来发展起来的一种用于实时测量空间温度场的光纤传感系统。在系统中光纤既是传输媒体又是传感媒体,利用光纤背向喇曼散射的温度效应,光纤所处空间各点的温度场调制了光纤中的背向喇曼散射的强度,即反斯托克斯(stokes)背向喇曼散射光的强度),经波分复用器和光电检测器采集了带有温度信息的背向喇曼散射光电信号,再经信号处理系统解调后,将温度信息实时从噪声中提取出来并进行显示,它是一种典型的光纤通信网络;在时域里,利用光纤中光波的传播速度和背向光回波的时间间隔,利用光纤的光时域反射(O TDR)技术对所测温度点定位,它是一种典型的光雷达系统。 分布光纤传感系统中的传感光纤不带电,抗射频和电磁干扰,防燃、防爆、抗腐蚀、耐高电压和强电磁场、耐电离辐射,能在有害环境中安全运行,系统具有自标定、自校准和自检测功能;即使在光纤受损时不仅可继续工作,而且可检测出断点位置。在一根2km光纤上可采集一千个温度信息并能进行空间定位,由于分布光纤传感系统的优越特性,已经开始应用于火灾自动温度报警系统。 分布光纤温度传感器的主要用途: 11用于煤矿、隧道的温度自动报警控制系统; 21油库、油轮,危险品仓库,大型货轮,军火库等温度自动报警控制系统; 31高层建筑、智能大厦、桥梁、高速公路等在线动态检测和火灾防治及报警; 41各种大、中型变压器,发电机组的温度分布测量,热保护和故障诊断; 51地下和架空高压电力电缆的热检测与监控; 61火力发电所的配管温度、供热系统的管道、输油管道的热点检测和故障诊断;化工原料、照相材料及油料生产过程在线动态检测; 71作为一种典型的机敏结构用于航空、航天飞行器在线动态检测和机器人的神经网络系统。 分布光纤温度传感系统是一种光机电和计算机一体化的高科技,世界上有英国、日本、瑞士和我国研制生产,英国、日本等应用于大型变压器、发电机组热保护和保障诊断,日本、瑞士和我国开始应用于火灾自动报警控制系统。 分布光纤温度传感器系统可显示温度的传播方向、速度和受热面积。可将报警区域的 42计量技术 20001№2Ξ国家首批产学研工程项目资助
基于布里渊散射的分布式光纤传感技术 1.引言 光导纤维在通信系统中的应用早已为人熟知，如今全世界高速便捷的网络也离不开光纤的发展。除了光纤通信以外，还有另一类针对光纤的重要研究方向——光纤传感。 与传统的电类传感器相比，光纤传感器具有抗电磁干扰、重量轻、易于嵌入、成本低等优点。这些优势使得光纤传感技术在实际工程中的应用拥有非常乐观的前景。例如，在一些环境恶劣，如强磁场的检测条件下，电类传感器可能无法正常工作或者损坏，但是光纤传感器受到外界影响较小，仍能保持稳定的工作状态。在对建筑结构的检测中，光纤传感器同样是较佳的选择。由于光纤本身重量轻且纤细，可以方便地分布在建筑结构中，对结构的各个部位进行全面的监控。另外光纤嵌入后不会对结构造成较大的影响，使结构保持其原有的状态。 分布式光纤传感是光纤传感技术中的一个研究热点，其优势是能够测试光纤沿线各点处的传感参量。虽然一般情况下其测试精度不如高精度的点式传感器，如光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)，但是其利用光纤的特性真正实现了“全分布式”的传感。前述对建筑结构的检测，即是分布式光纤传感的一个重要应用。 基于布里渊散射的分布式传感技术是分布式传感中的研究热点，因其能够对应变与温度实现较高精度的单参量或双参量同时测量，在实际应用中亦有广阔的前景。本文仅关注其中的一种——布里渊光时域反射技术(Brillouin Optical Time-domain Reflectometry, BOTDR)。布里渊光时域反射技术是最简单的一种形式，其空间分辨率、测量精度等不如其他更为复杂的布里渊传感技术，但是拥有更简单的系统结构和单端测量的优势，且其性能指标已经可以满足许多应用的要求，因此在实际应用中更受欢迎。 由于布里渊光时域反射技术测量的是自发布里渊散射，其信号微弱，信噪比较低。并且其各项性能指标之间相互制约，难以得到同时提高，例如空间分辨率和频移精度之间存在的权衡问题。为了试图解决或改善这些问题，本文对其重要的性能参数进行详尽分析，将对布里渊光时域反射技术中的信号处理技术和编码
光纤分布式声波传感技术 刘德中通信学院 2013010917006 内容摘要 声波属于物质波,其实质是质点振动、应力、压力等在弹性介质中的多样表现形式。在声学的研究领域中,声波的产生机制、传播形式以及检测方法是会共同涉及的内容。目前的声波检测技术就是利用声波信号在弹性介质内的传播变化实现对检测目标的测探、准确识别、定位等。 在光纤传感领域,当前的一个研究热点就是光纤声波检测,它可以用作水听器,应用于海洋、陆地石油、天然气勘探输油管道实时检测预警系统;也可用作光纤麦克风,用光纤光栅制成的声波传感探头基元以光纤光栅的中心波长调制来获得传感信息的,它具有灵敏度高、抗干扰能力强、全光纤的特点,同时还具有能够实现波分复用、检测探头的微型化等特点。 关键词：声波检测光纤传感技术分布式震动传感布里渊散射 一、技术原理 （一）基于光纤光栅的传感器 基于光纤光栅的传感器的原理是当温度、应变、折射率、应力、浓度等外界环境因素出现变化时,光纤光栅的有效折射率或者是光纤光栅周期就会发生 改变,从而使得光纤光栅的中心波长出现变化,对这一变化量经过信号处理之 后,就能够获得所需要检测的参数。这一过程中,传感信号的获得方式是通过光 纤光栅中心波长的调制实现的,相比于强度调制传感器而言,光纤光栅传感器 的灵敏度更高,更广的动态测量范围。所以,基于光纤光栅的传感器以其自身强 大的抗干扰能力、高灵敏 度以及对光源的稳定性及 能量特征要求低的特性, 使其在精确、精密测量方 面十分合适,光纤光栅传 感器目前已经占据了以光 纤为主要材料的44%左右。 （二）光纤声波传感器 声音属于微压动态信号,要想测量声音信号,可以通过监测频率或声压来实现。一般情况下,人们在传递和探测声信号时,会使用电子式传声器,该传声 器具有声-电换能原理,然而在一些特殊的环境中,如在核磁共振、强电磁干扰 或易燃易爆环境中,一些电子式传声器会失去作用,加之信号衰减会给传感器 端的弱电量信号带来不利影响,所以在较远的距离间无法使用电子式传声器, 这给远距测量带来了诸多难题。为了让信息能够准确传递出去,必须研宄一种 无源传声器,这种传声器不受电磁的干扰,还能在较远的距离间进行传输。光纤
拉曼散射与布里渊散射 拉曼散射和布里渊散射都属于非弹性散射，它是光场经过非弹性散射将能量传递给介质产生的效应。非弹性散射的一个特点就是它的散射频率不等同于入射频率。 布里渊散射 布里渊散射是泵浦光子、斯托克斯光子与声子间的相互作用，其过程是一个泵浦光子转换成一个新的频率较低的斯托克斯光子并同时产生一个新的声子。不过与此同时，一个泵浦光子也可以吸收一个声子的能量转换成一个新的频率较高的反斯托克斯光子。因此在自发布里渊散射光谱中，同时存在能量相当的斯托克斯和反斯托克斯两条谱线。受激布里渊散射的具体过程是：当泵浦光在光纤中传播时，其自发布里渊散射光沿泵浦光相反的方向传播，当泵浦光的强度增大时，自发布里渊散射的强度增加，当增大到一定程度时，反向传输的斯托克斯光和泵浦光将发生干涉作用，产生较强的干涉条纹，使光纤局部折射率大大增加。这样由于电致伸缩效应，就会产生一个声波，声波的产生激发出更多的布里渊散射光，激发出来的散射光又加强声波，如此相互作用，产生很强的散射。 布里渊散射在分布式光纤传感器、光纤陀螺、光纤相位共轭镜、布里渊放大器等领域有重要的应用。受激布里渊散射光纤陀螺的基本原理是：经过分束的两束激光沿不同的方向在光纤环中传播，其产生的SBS光的频率与系统三角速度有关，测量SBS光的拍频，即可得到系统的角速度。 拉曼散射 光通过介质时由于入射光与分子运动相互作用而引起的频率发生变化的散射。其物理意义是入射光波的一个光子被一个分子散射成为另一个低频光子，同时分子完成振动态之间的跃迁。拉曼散射光谱中同一拉曼谱线的位移与入射光的波长无关，只和样品的振动转动能级有关；斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分布在瑞利散射线两侧，斯托克斯线比反斯托克斯线的强度大。拉曼散射分为两种，表面增强拉曼散射与共振拉曼散射。共振拉曼散射是当一个化合物被入射光激发，激发线的频率处于该化合物的电子吸收谱带以内时，由于电子跃迁和分子振动的耦合，使某些拉曼谱线的强度陡然增加，这个效应被成为共振拉曼散射。表面增强拉曼散射是当一些分子被吸附到某些粗糙的金属，如金、银或铜的表面时，它们的拉曼谱线强度会得到极大地增强，这种不寻常的拉曼散射增强现象被称为表面增强拉曼散射效应。 拉曼散射技术可以提供快速、简单、可重复、无损伤的物质定性定量分析。由于水的拉曼散射很微弱，拉曼光谱是研究水溶液中的生物样品和化学化合物的理想工具。拉曼一次可以同时覆盖50-4000波数的区间，可对有机物及无机物进行分析。拉曼显微镜物镜可将激光束进一步聚焦至20微米甚至更小，可分析更小面积的样品。共振拉曼效应可以用来有选择性地增强大生物分子特个发色基团的振动，这些发色基团的拉曼光强能被选择性地增强1000到10000倍。重要的拉曼散射技术有单道检测的拉曼光谱分析技术、以CCD为代表的多通道探测器、采用傅立叶变换技术的FT-Raman光谱分析技术、共振拉曼光谱分析技术等。 利用拉曼散射还可以制成拉曼光纤放大器，该放大器的物理实现方法是：受激拉曼散射将一小部分入射光功率转移到频率比其低的斯托克斯波上；如果一个弱信号与一强泵浦光波同时在光纤中传输，并使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内，弱信号光即可以得到放大。根据增益介质的不同，又可分为分布式拉曼放大器（DRA）和分离式拉曼放大器（LRA）。
基于布里渊散射的多波长光纤激光器及分布式光纤传感研究随着信息容量需求的日益增长，高速大容量长距离将成为下一代全光通信网络的发展趋势。为了有效的利用光纤中有限的频率资源，频率间隔20GHz，甚至10GHz将是未来密集波分复用技术发展方向之一。 多波长的布里渊掺铒光纤激光器(MBEFL)具有窄线宽、宽调谐性、低阈值、低强度噪声、低成本，频率间隔固定，在室温下稳定的单纵模运转等特点，将可能成为未来最佳的通信光源之一。另外，布里渊光纤激光器(BFL)在光纤传感网络、频谱分析、RF等领域存在潜在的应用价值。 分布式布里渊光纤温度与应变传感器具有分布式光纤传感器优点的同时，还具有其它光纤传感无法媲美的显著特点，能同时测量温度与应变，可以应用于电力，石油化工、核电站、公路、桥梁、隧道、大坝、铁路、航天航空等各行业，受到国外内广泛关注。然而分布式布里渊光纤传感存在系统复杂，技术不成熟，成本高，测试时间长等问题而难以广泛应用。 本论文在佛山市禅城区工业公关计划，国家自然科学基金和国家863计划支持下，围绕多波长布里渊光纤激光器(MBFL)和分布式布里渊光纤传感两个方向进行初步的理论和实验研究，概括全文的研究成果和贡献，有如下几个方面：(1)根据布里渊耦合强度方程，推导出求解布里渊强度耦合方程一种快速有效近似解析方法，并数值解进行比较。分析了在四种情况下，光纤中的受激布里渊散射(SBS)阈值大小，用实验验证了光纤中的布里渊阈值与理论的一致性。 研究了脉冲形式的布里渊泵浦光在光纤中的Stokes与泵浦光强演变，对光纤中的温度或应变引起的频率失谐对泵浦光与探测光光强的影响进行仿真研究，检测出失谐处的位置与失谐量。(2)基于135m的高非线性光纤(HNLF)，利用光纤
第37卷 第6期 中 国 激 光 Vol.37,No.62010年6月 CHIN ES E J OURNAL OF LAS ERS J une ,2010 文章编号:025827025(2010)0621501204 用于分布式光纤传感的全光纤激光器 高存孝1 朱少岚1,2 冯 莉1 宋志远1,2 曹宗英1 何浩东1 牛林全1,2 1 中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室,陕西西安710119 2 中国科学院研究生院,北京100049 摘要 报道了一台适用于分布式光纤传感的全光纤激光器。激光器基于主振荡功率放大(MOPA )技术,种子光源为半导体激光器,放大器为掺铒光纤放大器。实现了重复频率和脉冲宽度分别独立可调的激光输出,中心波长为 1550nm ,光谱的3dB 带宽小于0.2nm ,获得的最高峰值功率为1.1kW ,输出的激光脉冲中放大自发辐射(ASE ) 功率分数的最大值低于10%。 关键词 激光器;光纤激光器;掺铒光纤放大器;分布式光纤传感 中图分类号 TN248.1 文献标识码 A doi :10.3788/CJL 20103706.1501 A n All Fi be r L as e r f o r Dis t ri but ed Op t ical Fi be r S e ns o r Gao Cunxiao 1 Zhu Shaolan 1,2 Feng Li 1 Song Zhiyuan 1,2 Cao Zongying 1 He Haodong 1 Niu Linquan 1,2 1 St a te Key L abor ator y of Tr a nsie nt Op tics a n d Photonics ,Xi ′a n I nstit ute of Op tics a n d Precision Mecha nics , Chi nese Aca de m y of Sciences ,Xi ′a n ,S ha a nxi 710119,Chi n a 2 Gr a d ua te U niversit y of Chi nese Aca dem y of Scie nces ,Beiji ng 100049,Chi n a Abs t r act An all fiber laser which is suitable for dist ributed optical fiber sensor is reported.The laser is based on the technique of master 2oscillator 2power 2amplifier (MOPA ),whose seed laser is a laser diode and amplifier is Er 3+doped fiber amplifier.The laser operates in wavelength of 1550nm with the tunable repetition rate and the p ulsewdith ,and the 3dB width is less than 0.2nm.The maximum peak power 1.1kW of laser p ulse is obtained ,and the power of amplified spontaneous emission (AS E )in the outp ut pulse is less than 10%in all condition.Key w or ds lasers ;fiber laser ;Er 3+doped fiber amplifier ;dist ributed optical fiber sensor 收稿日期:2010203222;收到修改稿日期:2010204216 作者简介:高存孝(1979—),男,助理研究员,主要从事脉冲光纤激光器、放大器以及脉冲半导体激光器技术等方面的研 究。E 2mail :cxgao @https://www.doczj.com/doc/a53463510.html, 1 引 言 分布式光纤传感技术是集光、机、电为一体的综合性技术,具有寿命长、耐高电压、抗电磁干扰和系统简单等优点,可以实现连续的空间温度测量、气体泄漏的在线监测等,目前已经广泛用于电力冶金、石油化工、交通运输和火灾预防报警等诸多领域[1～4]。在分布式光纤传感系统中光纤既作为传输通道,同时又是传感的功能元件,可以非常容易地获得链路上被测量参数的空间分布和时间变化信息,这是传统光纤传感所无法比拟的。 目前的分布式光纤传感技术主要有:基于光纤拉曼散射或布里渊散射的光时域反射及频域反射技 术、基于光纤瑞利散射的偏振光时域反射技术、长距 离光干涉技术、菲涅耳反射技术以及准分布式光纤布拉格光栅复用技术等[5～12]。这些技术分别有各自的特点,适合于不同的应用场合。对于基于光纤拉曼散射的光时域反射技术而言,其工作原理是利用光纤背向拉曼散射的温度效应,即光纤所处空间各点的温度场能够改变光纤中背向拉曼散射光的强度,通过测量拉曼反射光的强度就可以得到相应的温度值,并使用光时域反射技术来确定所测温度点的位置。这种分布式光纤传感技术系统结构简单、成本低和应用范围广,目前已经实现了10km 以上的测量距离,是一种很有市场前景的技术。