新型分布式光纖放大技術及其傳感應用研究.pdf

1、本論文屬通信(光纖通信)與信息系統(tǒng)(傳感信息獲取)學科。
　　相對于分立式的光纖放大技術,分布式拉曼放大(DRA)技術在噪聲指數(shù)、非線性損傷、增益帶寬等諸多方面展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢,在光纖通信與傳感領域得到了廣泛應用。高階DRA可使增益深入鏈路內(nèi)部以實現(xiàn)準無損光傳輸(光信噪比與非線性損傷的最佳平衡),顯著改善光傳輸性能及傳感全程均衡性。與常規(guī)高階DRA相比,基于超長光纖激光器(UL-FL)的DRA簡化了系統(tǒng)結構,且具有增益鉗制特性,展示

2、出很強的應用潛力。但是,該放大方法尚面臨泵浦-探測相對強度噪聲(RIN)轉移、光信噪比有待提升等制約其應用于長距離光纖傳輸/傳感的瓶頸性問題。
　　另一方面,分布式光纖傳感(DFS)作為光纖傳感技術領域的重要分支,具有以下突出優(yōu)勢:光纖本身就是傳感器,集傳感與傳輸于一體;可連續(xù)感知光纖路徑上各點的溫度、應變等物理參數(shù)的空間分布和變化信息;一根光纖能獲得多達十萬點的傳感信息,可構成目前距離最長、容量最大的傳感網(wǎng)絡。布里淵光時域分析儀

3、(BOTDA)作為一種重要的DFS技術,在輸電線纜、油氣管道、土木結構等關系國計民生的重大設施安全監(jiān)測領域具有廣闊的應用前景。但是,要實現(xiàn)長距離、高空間分辨率與測量精度的BOTDA尚面臨光纖損耗所致的大范圍低精度區(qū)域、非線性所致的譜擴展、非局域化所致的系統(tǒng)誤差等關鍵技術挑戰(zhàn)。
　　本論文在國家自然科學基金委重大項目課題“長距離分布式光纖傳感網(wǎng)關鍵器件與技術研究”支持下,提出了幾種新型的基于UL-FL的DRA技術及BOTDA系統(tǒng),并

4、就其放大與傳感特性展開了較系統(tǒng)的創(chuàng)新性研究,取得了一些突破性進展,實驗達到的154.4km為目前國際上BOTDA的最長無中繼傳感距離。
　　主要研究工作總結如下:
　　(1)提出基于隨機分布反饋光纖激光器(RDFB-FL)泵浦的DRA新概念。與常規(guī)光纖激光器截然不同的是,RDFB-FL是一種開放腔“無模式”結構,其反饋機制來自于光纖中的海量隨機Rayleigh散射過程。發(fā)現(xiàn):隨機激光的光譜結構、輸出功率均展現(xiàn)出優(yōu)異的溫度不敏

5、感特性,該結果表明:RDFB-FL可作為一個穩(wěn)定的全分布式泵浦源。還比較研究了基于RDFB-FL泵浦的DRA放大特性,發(fā)現(xiàn)前向隨機激光泵浦的等效噪聲指數(shù)優(yōu)于常規(guī)二階雙向泵浦~1.2dB,同時優(yōu)于一階雙向泵浦~2.3dB。因此,RDFB-FL泵浦為實現(xiàn)穩(wěn)定的低噪聲DRA提供了一種全新的途徑。
　　(2)提出將基于RDFB-FL泵浦的DRA概念應用于長距離BOTDA的新思路。通過實驗設計與優(yōu)化,實現(xiàn)了122km無中繼傳感距離,4m空間

6、分辨率,全程測量不確定度為±1℃。新思路優(yōu)點:①群速度走離效應使泵浦-探測RIN轉移帶寬降低至 KHz量級(而常規(guī)的一、二階雙向泵浦 DRA系統(tǒng)中,與探測光同向傳輸?shù)谋闷址至縿t由于較小的群速度走離,RIN轉移帶寬高達10~100MHz);②RDFB-FL泵浦的增益平坦度與常規(guī)的一階雙向泵浦接近,可確保傳感精度的全程均衡性;③隨機激光獨特的溫度不敏感特性決定了系統(tǒng)具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。
　　(3)提出將環(huán)形腔UL-FL泵浦DRA結構應用

7、于超長距離BOTDA的新方法。實現(xiàn)了142.2km無中繼傳感,空間分辨率為5m,測量不確定度為±1.5℃。傳感性能改進主要歸因于:①與一階泵浦相比,峰值增益深入至光纖內(nèi)~40km,大幅提升了系統(tǒng)遠端信噪比;②通過合理的系統(tǒng)設計,使泵浦-探測RIN轉移得到有效抑制;③對BOTDA傳感系統(tǒng)作了全面優(yōu)化,即:使用雙邊帶探測光注入技術,顯著抑制了非局域化效應引起的系統(tǒng)誤差;利用光脈沖編碼及預放技術,進一步提升了傳感信噪比;通過優(yōu)化拉曼/布里淵泵

8、浦及探測輸入功率,明顯降低了非線性效應所致的增益譜擴展及其系統(tǒng)誤差。
　　(4)提出融合隨機激光二階泵浦與低噪聲LD一階泵浦的混合DRA新結構。該結構解決了標準單模光纖瑞利散射系數(shù)微弱(~4.5×10-5km-1)所致的泵浦效率較低的問題。我們發(fā)現(xiàn):該結構繼承了隨機激光泵浦較低的噪聲指數(shù)特性,即開關增益在臨界值(~23dB)之上時,優(yōu)于一階雙向泵浦~0~4dB。將此結構應用于超長距離BOTDA,我們發(fā)現(xiàn):①較高的泵浦效率有效避免了

9、注入泵浦功率過高引起的非線性及傳感性能惡化;②二階隨機激射泵浦使峰值增益更加深入光纖內(nèi)部,確保了光纖遠端信噪比;③低噪聲LD一階泵浦的引入有效抑制了泵浦-探測RIN轉移。實驗取得154.4km無中繼傳感距離,5m空間分辨率,±1.4℃測量不確定度。
　　(5)針對長距離BOTDA工程實現(xiàn)中信噪比提升、非線性累積、非局域效應等制約傳感性能的關鍵技術問題展開了系統(tǒng)的研究。主要工作包括:①提出基于一階DRA的長距離BOTDA傳感信噪比改