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新型光纤传感技术与系统_张明江；张建忠；乔丽君；王涛_AZW3_MOBI_EPUB_PDF_电子书（无页码）_张明江；张建忠；乔丽君；王涛

内容节选

3.4混沌布里渊光相干域分析传感技术为了从根本上解决现有传感系统中存在的传感距离和空间分辨率之间的矛盾，许多新形式的光信号被探索并被作为分布式光纤传感的探测信号。例如2012年以色列巴伊兰大学扎多克（Zadok）等和2016年瑞士杰尼索夫（Denisov）等在实验中采用伪随机码调制激光信号[71-72]，2014年以色列巴伊兰大学科恩（Cohen）等在实验中采用ASE噪声信号[70]。但是，伪随机码的周期性及码长都会影响系统的探测性能。宽谱的ASE噪声在系统中会引入不可解决的光谱重叠问题，从而严重影响系统的信噪比，使传感距离严重受限。3.3节我们提出的混沌BOCDR系统，理论和实验验证了厘米量级的空间分辨率。然而，受传感光纤中自发布里渊散射的限制，混沌BOCDR系统仅具有155m的传感长度[94]。本节将提出一种基于混沌激光布里渊光相干域分析（Chaotic-BOCDA）技术的分布式光纤传感系统，它利用传感光纤中的受激布里渊散射提高系统的传感距离，同时由于混沌信号的低相干性，系统也可获得高的空间分辨率。 3.4.1 Chaotic-BOCDA技术的传感机理 1.物理机制基于受激布里渊散射过程的布里渊光相干域分析技术主要依赖于泵浦光、探测光和布里渊声场复振幅三者之间的相互耦合。其中，光波之间的耦合是通过声波场引起介质折射率的变化而实现，而声波场与光波间的耦合是由两束相向传播的光对声波场的激励（电致伸缩）产生。该过程在数理上可以通过SBS耦合方程进行描述。：在不考虑光纤中的光损耗的情况下，SBS过程可以通过下面三个耦合方程表示[95] 式中：vg为光在光纤中的群速度；布里渊频移相对其均值的偏差为δωB（z）；与布里渊增益线宽相关的声波场阻尼率Г=2π ΔνB；耦合系数κ1=πvgγρ/2n λρ0，κ2=πn ε0γρ/4λ νa，其中ε0为真空中的介电常数；E1、E2、ρ分别为缓慢变化的泵浦光、探测光及声波场的幅度，它们是时间t和光纤位置z的函数。：根据扰动理论求解耦合方程，所得到的探测光在待测光纤中传播时所经历的增益函数为增益谱的解调提供了数理支持，具体公式如下[63] 式中，ζ=z/vg，P-1为泵浦光的平均功率，Aeff为有效纤芯面积，gB（ζ，ω）vgdζ是长度为νgdζ光纤区域上位置ζ处的布里渊增益谱，Sb（ζ，ω）为泵浦光和探测光在位置ζ处的拍频谱。由此可见，光纤上位置ζ处探测光的增益谱实为布里渊增益谱和泵浦光与探测光的拍频谱间的卷积，最终的总增益便是根据这个积分获取的。上述公式合理地阐述了BGS的一般获取方法：在泵浦光与探测光极度相关位置处（即相关峰处），拍频谱Sb是有关于频率的类δ函数，当通过改变泵浦光与探测光之间的频率差使拍频谱沿着频率ω方向移动时，探测光在该相关峰处所产生的增益会依照此处的BGS变化；相反，在相关峰之外的其他地方拍频谱Sb展宽，此时再移动拍频谱时，探测光的增益很小且近乎常数。因此，相关峰位置处的BGS可以等效地反映在光纤输出端的探测功率变化上。：另外，声波场密度分布的复振幅函数在BOCDA技术中是至关重要的，它的波形既决定了相关峰的宽度与强度，更是直接关系着系统的定位方式。声波场密度分布的复振幅函数如下式所示[70] 式中：g1为电致伸缩系数；在这里假设待测光纤长度为L，泵浦光和探测光从光纤两端相向入射；与位置相关的时间偏移量θ（z）=（2z-L）/vg；当ν=νB时，带宽ГA=1/（2τ）。这样，有效的声场被限制在一个很短的范围内，该范围对应于光源的相干长度，坐落于待测光纤的中间位置θ（z/2）=0处。对于传统方案中采用正弦调制信号作为激光源时，由于此时光源本身所具备的周期性，得到周期性的相关峰。在这类情况下，就需要调节可变光延迟线使待测光纤中仅存在一个相关峰，再改变正弦调制信号的频率方可对待测光纤进行完整的扫描。传统方案中存在的传感距离与空间分辨率的矛盾的根源便在于此。近年来，采用低相干态的宽谱激光作为光源的方案，克服了光源的周期性问题，在待测光纤中产生的相关峰是唯一的，因此在定位时仅需调节可变光延迟线来改变待测光纤中相干峰的位置便可实现对整条光纤的扫描。 2.分布式传感系统基于混沌布里渊光相干域分析的分布式光纤温度传感实验装置如图3-39所示。其中，虚线框为混沌激光源，其由目前广泛使用的光反馈结构产生。该结构包括分布反馈式半导体激光器和由光环形器、偏振控制器、可调光衰减器、50:50光纤耦合器四个分立器件构成的单反馈外腔。DFB-LD的输出光注入单反馈环路，通过调节VOA和PC1选择合适强度的反馈光，从而驱动DFB-LD进入混沌振荡状态。混沌激光经光隔离器，然后被20:80光纤耦合器分成两路：其中一路（20%）作为混沌泵浦光，通过PC2后，被（EDFA1）放大，并通......