论文部分内容阅读
本论文属通信(光纤通信)与信息系统(传感信息获取)学科。 相对于分立式的光纤放大技术,分布式拉曼放大(DRA)技术在噪声指数、非线性损伤、增益带宽等诸多方面展现出明显优势,在光纤通信与传感领域得到了广泛应用。高阶DRA可使增益深入链路内部以实现准无损光传输(光信噪比与非线性损伤的最佳平衡),显著改善光传输性能及传感全程均衡性。与常规高阶DRA相比,基于超长光纤激光器(UL-FL)的DRA简化了系统结构,且具有增益钳制特性,展示出很强的应用潜力。但是,该放大方法尚面临泵浦-探测相对强度噪声(RIN)转移、光信噪比有待提升等制约其应用于长距离光纤传输/传感的瓶颈性问题。 另一方面,分布式光纤传感(DFS)作为光纤传感技术领域的重要分支,具有以下突出优势:光纤本身就是传感器,集传感与传输于一体;可连续感知光纤路径上各点的温度、应变等物理参数的空间分布和变化信息;一根光纤能获得多达十万点的传感信息,可构成目前距离最长、容量最大的传感网络。布里渊光时域分析仪(BOTDA)作为一种重要的DFS技术,在输电线缆、油气管道、土木结构等关系国计民生的重大设施安全监测领域具有广阔的应用前景。但是,要实现长距离、高空间分辨率与测量精度的BOTDA尚面临光纤损耗所致的大范围低精度区域、非线性所致的谱扩展、非局域化所致的系统误差等关键技术挑战。 本论文在国家自然科学基金委重大项目课题“长距离分布式光纤传感网关键器件与技术研究”支持下,提出了几种新型的基于UL-FL的DRA技术及BOTDA系统,并就其放大与传感特性展开了较系统的创新性研究,取得了一些突破性进展,实验达到的154.4km为目前国际上BOTDA的最长无中继传感距离。 主要研究工作总结如下: (1)提出基于随机分布反馈光纤激光器(RDFB-FL)泵浦的DRA新概念。与常规光纤激光器截然不同的是,RDFB-FL是一种开放腔“无模式”结构,其反馈机制来自于光纤中的海量随机Rayleigh散射过程。发现:随机激光的光谱结构、输出功率均展现出优异的温度不敏感特性,该结果表明:RDFB-FL可作为一个稳定的全分布式泵浦源。还比较研究了基于RDFB-FL泵浦的DRA放大特性,发现前向随机激光泵浦的等效噪声指数优于常规二阶双向泵浦~1.2dB,同时优于一阶双向泵浦~2.3dB。因此,RDFB-FL泵浦为实现稳定的低噪声DRA提供了一种全新的途径。 (2)提出将基于RDFB-FL泵浦的DRA概念应用于长距离BOTDA的新思路。通过实验设计与优化,实现了122km无中继传感距离,4m空间分辨率,全程测量不确定度为±1℃。新思路优点:①群速度走离效应使泵浦-探测RIN转移带宽降低至 KHz量级(而常规的一、二阶双向泵浦 DRA系统中,与探测光同向传输的泵浦分量则由于较小的群速度走离,RIN转移带宽高达10~100MHz);②RDFB-FL泵浦的增益平坦度与常规的一阶双向泵浦接近,可确保传感精度的全程均衡性;③随机激光独特的温度不敏感特性决定了系统具有优异的稳定性。 (3)提出将环形腔UL-FL泵浦DRA结构应用于超长距离BOTDA的新方法。实现了142.2km无中继传感,空间分辨率为5m,测量不确定度为±1.5℃。传感性能改进主要归因于:①与一阶泵浦相比,峰值增益深入至光纤内~40km,大幅提升了系统远端信噪比;②通过合理的系统设计,使泵浦-探测RIN转移得到有效抑制;③对BOTDA传感系统作了全面优化,即:使用双边带探测光注入技术,显著抑制了非局域化效应引起的系统误差;利用光脉冲编码及预放技术,进一步提升了传感信噪比;通过优化拉曼/布里渊泵浦及探测输入功率,明显降低了非线性效应所致的增益谱扩展及其系统误差。 (4)提出融合随机激光二阶泵浦与低噪声LD一阶泵浦的混合DRA新结构。该结构解决了标准单模光纤瑞利散射系数微弱(~4.5×10-5km-1)所致的泵浦效率较低的问题。我们发现:该结构继承了随机激光泵浦较低的噪声指数特性,即开关增益在临界值(~23dB)之上时,优于一阶双向泵浦~0~4dB。将此结构应用于超长距离BOTDA,我们发现:①较高的泵浦效率有效避免了注入泵浦功率过高引起的非线性及传感性能恶化;②二阶随机激射泵浦使峰值增益更加深入光纤内部,确保了光纤远端信噪比;③低噪声LD一阶泵浦的引入有效抑制了泵浦-探测RIN转移。实验取得154.4km无中继传感距离,5m空间分辨率,±1.4℃测量不确定度。 (5)针对长距离BOTDA工程实现中信噪比提升、非线性累积、非局域效应等制约传感性能的关键技术问题展开了系统的研究。主要工作包括:①提出基于一阶DRA的长距离BOTDA传感信噪比改进及非线性抑制方案;②提出将光脉冲编码(OPC)与一阶DRA相融合的长距离BOTDA传感信噪比提升方案;③揭示了基于一阶DRA的长距离BOTDA传感系统的非局域化机理,探讨了两种非局域化抑制方案:频分复用(FDM)及时分复用(TDM)的优化途径;④通过以上多方面优化改进,设计了高性能BOTDA工程样机,目前已在海缆安全监测中得到实际应用。