基于多模声波导光纤的长距离快速布里渊光时域反射光纤传感技术研究

In order to realize the long-distance quick distributed fiber sensing by Brillouin Optical Time Domain Reflectometry (BOTDR), we propose to use multimode-acoustic-waveguide optical fibers as novel sensing fibers, and simultaneously measure temperature and strain quickly by detecting the power of Brillouin beating spectrum. We will study the generation mechanism of spontaneous Brillouin beating spectrum of multimode-acoustic-waveguide optical fiber and its time domain and frequency domain features, and build the mathematical model of the relationships between the power of Brillouin beating spectrum and the temperature and strain. We will investigate the impact of fiber birefringence and signal polarization states on temperature and strain measurement accuracy, and explore the methods to improve the measurement accuracies of temperature and strain. We also study the technology integration of copropagating Raman amplification and multi-wavelength probe based on homodyne BOTDR, to realize the long-distance quick distributed fiber sensing system based on multimode-acoustic-waveguide optical fibers. The aim of the research is to reveal the generation mechanism of spontaneous Brillouin beating spectrum of multimode-acoustic-waveguide optical fiber, verify the relationships between the power of Brillouin beating spectrum and the temperature and strain, and realize the integration of copropagating Raman amplification, multi-wavelength probe and homodyne BOTDR. It is expected the research can overcome the problem of slow detection speed and short measurement distance of existing Brillouin distributed sensing system, and can lay the theoretical and technical basises for developing quick BOTDR system with a sensing range over 100Km.

为实现基于布里渊光时域反射的长距离快速分布式光纤传感，将多模声波导光纤作为新颖的传感光纤，通过探测其布里渊互拍谱的功率，实现温度和应变的同时快速测量。研究多模声波导光纤中自发布里渊散射互拍谱的产生机制及其时域和频域特征，建立布里渊散射互拍谱功率与温度和应变之间关系的数学模型。研究光纤双折射及信号偏振态对温度和应变测量精度的影响，探索提高温度和应变测量精度的方法。研究零差布里渊光时域反射技术基础上的同向拉曼放大与多波长探测技术，实现基于多模声波导光纤的长距离快速分布式光纤传感系统。 该研究旨在揭示多模声波导光纤中自发布里渊散射互拍谱的产生机制，探明布里渊互拍谱功率与温度和应变之间的关系，实现同向拉曼放大、多波长探测与零差布里渊光时域反射技术的融合，为有效解决现有布里渊分布式光纤传感系统检测速度慢、测量距离短的难题和研制出100Km以上快速布里渊光时域反射系统奠定理论和技术基础。

温度与应变的分布式监测需求十分广泛，能源、电力、建筑、通讯、交通、安防等诸多领域都把其作为一种必需的故障诊断及事故预警手段。为了实现温度与应变的长距离快速分布式监测，本项目开展了基于多模声波导光纤的长距离快速布里渊光时域反射(BOTDR)光纤传感技术研究。我们以多模声波导光纤作为新颖的传感光纤，研究了多模声波导光纤中自发布里渊散射互拍谱的产生机制及其时域和频域特征，建立了布里渊散射互拍谱功率与温度和应变之间关系的数学模型，研究了光纤双折射及信号偏振态对温度和应变测量精度的影响，研究了零差布里渊光时域反射技术基础上的拉曼放大与多波长探测技术。此外，项目研究过程中我们还开展了提高布里渊传感系统的测量精度与空间分辨率研究，及掺铒光纤放大器特性及其在空间光通信中的应用研究。. 我们提出了一种基于布里渊散射互拍谱功率探测的零差BOTDR技术；揭示了多模声波导光纤中自发布里渊散射互拍谱的产生机制；建立了多模声波导光纤中布里渊散射互拍谱功率与温度和应变之间关系数学模型；提出一种基于拉曼放大的零差布里渊光时域反射技术；设计了具有相近强度多峰布里渊散射谱的新型实芯光纤和光子晶体光纤；提出了一种基于布里渊光时域分析（BOTDA）的波分复用（WDM）布里渊传感器，分析了色散效应与非线性效应对多波长BOTDR和BOTDA传感系统性能的影响；提出了一种基于布里渊散射谱相似性匹配的布里渊频移确定方法；提出了一种提高BOTDR系统空间分辨率的迭代细分方法；研究了光纤传感与通信系统中常用放大器件掺铒光纤放大器的特性及其在空间光通信中的应用。. 该研究涉及非线性光纤光学、导波光学、分布式光纤传感、空间激光通信等科学问题，它们的交叉结合会带来很多有益的相关研究课题，该项研究具有重要的理论价值。同时，该研究的成果可为能源、电力、通信、交通、国防等领域中的长距离快速全分布式温度和应变传感提供理论与技术支持，具有很高的应用价值。