高分辨率和长距离布里渊光栅型分布式光纤传感关键技术研究

The Brillouin grating-based distributed optical fiber sensors provide a novel solution for the high-accuracy measurement of temperature and strain. To address the problem that it is difficult to improve the spatial resolution and extend the sensing range while keeping the high accuracy, this project will investigate the mechanisms of the excitation and probing of Brillouin grating in depth, and propose a scheme consisting of a CW pump and a pulsed pump to dynamically excite Brillouin grating to extend the sening range, and a differential resolving method using a probing pulse pair for high-accuracy and high-spatial-resolution. This project will focus on the issue of the excitation and probing of Brillouin grating. The five-wave coupled equations will be deduced to describe the excitation and probing of Brillouin grating; the mechanism of dynamically exciting Brillouin grating by using a CW pump and a pulsed pump will be investigated, and the pump parameters will be optimized to extend the sensing range; the mechanism of differential resolving method using a probing pulse pair will be investigated, and the pulse parameters will be optimized for a best accuracy and spatial resolution. The study of project will provide an opportunity to realize a high-accuracy, high-spatial-resolution and long-range distributed optical fiber sensing technique based on Brillouin grating, which is very important and valuable for high-level monitoring of military and civilian facilities.

基于布里渊光栅的新型分布式光纤传感器为高精度的温度和应变测量提供了一种全新的解决方案。针对目前本方向中面临的无法在保证高精度测量的同时进一步提高空间分辨率和延长传感距离这一国际难题，本项目将深入研究布里渊光栅激发和探测机制，提出采用连续泵浦光和脉冲泵浦光动态激发布里渊光栅以延长传感距离，并用脉冲对差分解析探测获得高测量精度和高空间分辨率的方案。本项目将围绕布里渊光栅的激发和探测这一中心问题，建立描述布里渊光栅激发和探测过程的五波耦合方程；研究连续泵浦光和脉冲泵浦光动态激发布里渊光栅机理和泵浦光参数的优化，以延长传感长度；研究脉冲对差分解析探测机制和脉冲参数的优化，以获得最佳的测量精度和空间分辨率。.本项目的研究将为实现高测量精度、高空间分辨率和长距离的布里渊光栅型分布式光纤传感技术提供一个新的途径，对于满足军用和民用设施的高端监测要求具有非常重要的意义和价值。

目前，传统的分布式布里渊光纤传感器在空间分辨率方面已实现厘米甚至毫米量级。然而，由于传统的布里渊光纤传感器的测量原理是基于布里渊频移，因此对于温度和应变的测量精度有限，仅为大约1°C和20µε。近年来，基于布里渊光栅的新型分布式光纤传感器因具有较高的温度和应变测量精度引起了国际上的极大兴趣，其双折射频移的温度和应变系数分别是布里渊频移的50倍和20倍，因此可以提供优于0.1°C和1µε的温度和应变测量精度，然而该方向的瓶颈是提高空间分辨率一方面会导致信噪比下降从而降低测量精度，另一方面也会使测量长度受到限制。针对这一国际研究难题，本项目深入研究布里渊光栅的激发和探测机制，采用连续泵浦光和脉冲泵浦光动态激发布里渊光栅、并采用脉冲对差分解析探测提高空间分辨率的方案，解决现有方案中提高空间分辨率与测量精度和测量距离之间的矛盾。我们可以实现测量长度3km，空间分辨率2cm，温度精度0.05℃，应变精度2µε，完全满足项目的研究目标。.此外，在本项目的支持下，我们还拓展完成了以下研究内容；.发展了一种基于捷变频技术和差分双脉冲技术的高空间分辨率动态布里渊光纤传感，可以用于振动条件下的动态应变测量；.提出了基于布里渊动态光栅的高精度光谱分析；.提出了基于聚合物光纤的布里渊光时域分析；.提出了单模-多模-单模三明治结构传感光纤结构，实现了弯曲不敏感的分布式布里渊光纤传感技术，传感光纤可以在1mm弯曲半径下工作；.提出并研究了一种基于布里渊动态光栅的高灵敏度分布式横向压力光纤传感技术。