混沌激光相干法实现长距离高分辨率的分布式光纤传感

Distributed optical fiber sensing technology has important applications such as construction, mining, petroleum, electric power, aerospace etc. Distributed optical fiber sensing technology based on Brillouin scattering has the advantages of simultaneous measurement of strain and temperature, along with the high precision. However, the drawback of these methods is that they can not simultaneously achieve high spatial resolution and long distance in sensing measurements . This project proposes a chaotic Brillouin optical coherent domain reflectometry. By utilizing the chaotic laser with tunable coherent length and controllable broad band spectrum as the probe light, combined with the coherent domain reflection technology, and using rapid variable optical delay line to adjust the reference light path, we will obtain the information of the temperature and strain by detecting the interference signal of the back Brillouin scattering light and reference light of different locations in sensing fiber. This method can realize the long distance, high spatial resolution distributed fiber sensing with the simple device and the low cost instead of using the expensive pulse signal generator, high frequency microwave signal source and electric absorption modulator. The implementation of this project is hopeful to develop a novel method of Brillouin scattering distributed optical fiber sensing based on chaotic laser, and it can promote the further development in the field of the optical fiber sensing measurement.

分布式光纤传感技术在建筑、煤矿、石油、电力、航空航天等领域具有重要的应用。基于布里渊散射的分布式光纤传感技术具有可同时测量温度和应变且精度高的优点，但其存在难以同时实现高空间分辨率与长距离传感测量的问题。 本项目提出了一种混沌激光布里渊相干域反射测量方法。混沌激光具有相干长度可调谐、频谱带宽和中心频率可控的特性。本方法采用混沌激光作为探测光，结合相干域反射技术，利用快速可变光延迟线调节参考光光程，通过检测参考光与探测光在传感光纤中不同位置的后向布里渊散射光的干涉信号，获知整条传感光纤的温度应变分布信息。此方法可同时实现高空间分辨率、长距离的分布式光纤传感测量，且无需昂贵的脉冲信号发生器、高频信号微波源及电光吸收调制器，装置简单、成本较低。 本方案的实现有望发展一种新的基于混沌激光的布里渊散射分布式光纤传感技术，为长距离高分辨率分布式光纤传感测量提供新方法。

目前，分布式光纤传感技术得到了广泛的应用，其中基于瑞利散射和拉曼散射的研究已经趋于成熟，并应用到生产实践中。而基于布里渊散射的分布式光纤传感技术的研究起步比较晚，但是由于其在温度、应变测量上所能达到的测量精度、测量范围、空间分辨率等方面具有明显的优势，因此成为研究者近年来关注的热点。对于布里渊散射的分布式光纤传感，现有研究主要集中在监测距离、空间分辨率等方面。监测距离的研究集中在脉冲时域，包括基于布里渊光时域反射技术（BOTDR）和基于布里渊光时域分析技术（BOTDA）的分布式光纤传感；它们的优点在于测量距离较远，不足之处是空间分辨率难以突破1m；空间分辨率的研究集中在相干域，包括基于布里渊光相干域分析技术(BOCDA)和基于布里渊光相干域反射技术(BOCDR)的分布式光纤传感，它们的优点则是空间分辨率高，但是，它们的传感范围受到限制，仅有百米左右。. 为了解决分布式光纤传感中空间分辨率和传感距离之间相矛盾的问题，我们利用混沌激光相干长度短、可调谐的特性，发展了一种新的基于混沌激光的布里渊散射分布式光纤传感技术，提出了一种混沌激光布里渊相干域反射测量方法。混沌激光具有相干长度可调谐、频谱带宽和中心频率可控的特性，本方法采用混沌激光作为探测光，结合相干域反射技术，最终，我们在155m的传感距离上实现了96.25 cm的空间分辨率。在此基础上，又提出了基于混沌布里渊相干域分析技术的分布式光纤传感方法。利用此方法，在10 km的传感光纤上实现了8.86 cm的空间分辨率。此方法可实现高空间分辨率、长距离的分布式光纤传感测量，同时有效的解决了传感距离与空间分辨率相矛盾的问题。. 针对本项目的研究内容，项目组共申请国家发明专利32项，其中已授权14项，公开18项；发表学术论文33篇，其中被SCI收录20篇；项目负责人6次作为特邀报告参加了国内和国际会议，此外项目负责人参加境外国际会议作为分会场组织者和分会场主席1次，境内国际会议分会场主席1次；培养研究生13名。本方案的实现为发展一种新的基于布里渊散射的长距离高分辨率的分布式光纤传感测量提供了新方法，推动了光纤传感领域的进一步发展。