新型分布式光纖放大技術(shù)及其傳感應(yīng)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(xué)科。
　　相對(duì)于分立式的光纖放大技術(shù),分布式拉曼放大(DRA)技術(shù)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(shì),在光纖通信與傳感領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。高階DRA可使增益深入鏈路內(nèi)部以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)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(zhǎng)光纖激光器(UL-FL)的DRA簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),且具有增益鉗制特性,展示

2、出很強(qiáng)的應(yīng)用潛力。但是,該放大方法尚面臨泵浦-探測(cè)相對(duì)強(qiáng)度噪聲(RIN)轉(zhuǎn)移、光信噪比有待提升等制約其應(yīng)用于長(zhǎng)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(shù)領(lǐng)域的重要分支,具有以下突出優(yōu)勢(shì):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(diǎn)的溫度、應(yīng)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(dá)十萬點(diǎn)的傳感信息,可構(gòu)成目前距離最長(zhǎng)、容量最大的傳感網(wǎng)絡(luò)。布里淵光時(shí)域分析儀

3、(BOTDA)作為一種重要的DFS技術(shù),在輸電線纜、油氣管道、土木結(jié)構(gòu)等關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重大設(shè)施安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但是,要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、高空間分辨率與測(cè)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(kuò)展、非局域化所致的系統(tǒng)誤差等關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。
　　本論文在國(guó)家自然科學(xué)基金委重大項(xiàng)目課題“長(zhǎng)距離分布式光纖傳感網(wǎng)關(guān)鍵器件與技術(shù)研究”支持下,提出了幾種新型的基于UL-FL的DRA技術(shù)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(jìn)展,實(shí)驗(yàn)達(dá)到的154.4km為目前國(guó)際上BOTDA的最長(zhǎng)無中繼傳感距離。
　　主要研究工作總結(jié)如下:
　　(1)提出基于隨機(jī)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(jié)構(gòu),其反饋機(jī)制來自于光纖中的海量隨機(jī)Rayleigh散射過程。發(fā)現(xiàn):隨機(jī)激光的光譜結(jié)構(gòu)、輸出功率均展現(xiàn)出優(yōu)異的溫度不敏

5、感特性,該結(jié)果表明:RDFB-FL可作為一個(gè)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(jī)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(shí)優(yōu)于一階雙向泵浦~2.3dB。因此,RDFB-FL泵浦為實(shí)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(yīng)用于長(zhǎng)距離BOTDA的新思路。通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)了122km無中繼傳感距離,4m空間

6、分辨率,全程測(cè)量不確定度為±1℃。新思路優(yōu)點(diǎn):①群速度走離效應(yīng)使泵浦-探測(cè)RIN轉(zhuǎn)移帶寬降低至 KHz量級(jí)(而常規(guī)的一、二階雙向泵浦 DRA系統(tǒng)中,與探測(cè)光同向傳輸?shù)谋闷址至縿t由于較小的群速度走離,RIN轉(zhuǎn)移帶寬高達(dá)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(jī)激光獨(dú)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(jié)構(gòu)應(yīng)用

7、于超長(zhǎng)距離BOTDA的新方法。實(shí)現(xiàn)了142.2km無中繼傳感,空間分辨率為5m,測(cè)量不確定度為±1.5℃。傳感性能改進(jìn)主要?dú)w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(yuǎn)端信噪比;②通過合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì),使泵浦-探測(cè)RIN轉(zhuǎn)移得到有效抑制;③對(duì)BOTDA傳感系統(tǒng)作了全面優(yōu)化,即:使用雙邊帶探測(cè)光注入技術(shù),顯著抑制了非局域化效應(yīng)引起的系統(tǒng)誤差;利用光脈沖編碼及預(yù)放技術(shù),進(jìn)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(cè)輸入功率,明顯降低了非線性效應(yīng)所致的增益譜擴(kuò)展及其系統(tǒng)誤差。
　　(4)提出融合隨機(jī)激光二階泵浦與低噪聲LD一階泵浦的混合DRA新結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)解決了標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)繼承了隨機(jī)激光泵浦較低的噪聲指數(shù)特性,即開關(guān)增益在臨界值(~23dB)之上時(shí),優(yōu)于一階雙向泵浦~0~4dB。將此結(jié)構(gòu)應(yīng)用于超長(zhǎng)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(jī)激射泵浦使峰值增益更加深入光纖內(nèi)部,確保了光纖遠(yuǎn)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(cè)RIN轉(zhuǎn)移。實(shí)驗(yàn)取得154.4km無中繼傳感距離,5m空間分辨率,±1.4℃測(cè)量不確定度。
　　(5)針對(duì)長(zhǎng)距離BOTDA工程實(shí)現(xiàn)中信噪比提升、非線性累積、非局域效應(yīng)等制約傳感性能的關(guān)鍵技術(shù)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(zhǎng)距離BOTDA傳感信噪比改