混沌光在光纤中的布里渊散射特性及其应用研究

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基于布里渊散射的分布式光纤传感技术可以准确测量光纤沿线上任意一点的温度、应变等信息,具有抗电磁干扰、工作频带宽、动态范围大等特点,且其测量精度、空间分辨率和测量范围均优于其他分布式光纤传感技术,已广泛应用于桥梁、隧道、大坝、建筑物等的结构健康监测中,但其存在无法同时实现长距离和高分辨率传感的问题。鉴于混沌光具有高受激布里渊散射阈值、宽带宽、相干长度小等优势,故将混沌光引入基于布里渊散射的分布式光纤传感技术中以期解决该难题。  本文研究了混沌光在光纤中的后向散射特性,在此基础上构建了基于混沌光的布里渊散射分布式光纤温度传感实验系统,并对其结果进行了分析,主要研究内容如下:  1)介绍了由光反馈产生混沌光的实验装置及其原理;分析了混沌光的输出曲线,得出其具有宽带宽、频谱平坦、中心频率和相干长度可调、类噪声等特性。  2)研究了混沌光在光纤中的布里渊散射特性。发现混沌光在光纤中产生的后向布里渊散射光反斯托克斯光频处出现光谱凹陷的现象,理论和实验证明了该现象是由于混沌光本身光谱成分的相关特性导致,即中心波长处的混沌光和反斯托克斯光频处的混沌光具有相似的性质。在受激布里渊散射过程中,反斯托克斯光频处的混沌光转化为斯托克斯光,出现凹陷现象。  3)实验分析了混沌光注入功率和光纤长度对布里渊散射斯托克斯光线宽和后向散射光功率的影响。当混沌光注入功率较低,使其处于自发布里渊散射阶段时,斯托克斯光线宽随混沌光注入功率的增大并无改变;继续增大混沌光注入功率,当其出现受激布里渊散射时,斯托克斯光线宽随混沌光注入功率的增大先减小后趋于不变。斯托克斯光的线宽随光纤长度的增加先减小后趋于不变。后向散射光功率随混沌光注入功率的增大和光纤长度的增加先增大后趋于饱和。进一步,讨论了混沌受激布里渊散射阈值的影响因素,并得出混沌受激布里渊散射光阈值很高,比传统的连续光注入光纤产生的受激布里渊散射阈值高约19dB。  4)搭建了基于混沌光的布里渊散射分布式光纤温度传感实验系统。将混沌光作为该系统的光源,调节参考臂的长度使具有相同相干态的参考光和斯托克斯光进行相干拍频,得到光纤不同位置处的相干峰,实现对光纤的分布式扫描测量。将5.3km光纤末端的200m置于恒温箱内进行变温测量,发现相干拍频谱的布里渊频移变化量和温度变化量不一致,但此实验结果证明了该系统的可行性,为后续进一步的实验研究提供了基础。
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