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传统分布式光纤传感的基本原理【tvt体育官网】

文章来源: tvt体育官网发布时间:2021-11-14 00:05
本文摘要:基于后向瑞利散射的分布式光纤传感技术主要有光时域光线法(OTDR,OpticalTimeDomainReflectometry)和光频域光线法(OFDR,OpticalFrequencyDomainReflectometry)。

光纤激光器

1章节  近年来,随着高亮度半导体泵浦技术、双包层增益光纤技术、功率合束器等技术的变革,高功率光纤激光器迅猛发展。目前,单模激光器的输出功率早已超过了20kW。在一定的加热器条件下,随着光纤激光器输出功率的提升,增益光纤中的温度也随之很快增高。

由于普通增益光纤涂覆层长时间平稳的许可温度为80℃,为了构建长时间的平稳工作,必需对光纤激光器增益光纤的温度展开严格控制。此外,研究找到,光纤中的温度产于需要明显影响高功率光纤激光器的性能。增益光纤中的高温不会使高功率光纤激光器的稳定性上升,并造成激光器中模式不平稳现象(ModeInstability,MI)的再次发生。

涉及研究指出,增益光纤中内部温度越高,就越更容易产生模式不平稳现象,低温则不更容易产生模式不平稳现象。另外,光纤中过低的温度产于不会影响其它的非线性效应,影响光纤激光器的输出特性。因此,为了确保高功率光纤激光器的平稳输入,防止增益光纤在用于过程中的受损,对增益光纤中的温度产于展开监测是十分有适当的。

目前,对于光纤激光器中增益光纤的温度测量尚不较多研究,本文主要讲解传统分布式光纤传感的基本原理,并根据现有高功率增益光纤温度测量的结果,对比并解释何种传感方式未来将会用作高功率光纤激光器的温度测量中,以期对高功率光纤激光器的温度场测量获取参照,并对模式不平稳、非线性效应等现象的研究获取一种新的理解手段。  2分布式温度测量的分类  分布式光纤传感技术不仅具备一般光纤传感器高精度的优点,而且可以在沿光纤路径上同时获得被测量场在时间和空间上的倒数产于信息,在桥梁、油漆罐、高压线路等领域具有普遍的应用于前景。

目前,分布式光纤传感技术主要是基于光纤中的后向衍射构建传感,如瑞利散射、拉曼衍射和布里渊衍射。基于后向瑞利散射的分布式光纤传感技术主要有光时域光线法(OTDR,OpticalTimeDomainReflectometry)和光频域光线法(OFDR,OpticalFrequencyDomainReflectometry)。

基于拉曼衍射的全分布式光纤传感技术主要有拉曼光时域光线技术(ROTDR,RamanOpticalTimeDomainReflectometry)和拉曼光频域光线技术(ROFDR,RamanOpticalFrequencyDomainReflectometry)。基于布里渊衍射的全分布式光纤传感技术主要有布里渊光时域光线技术(BOTDR,BrillouinOpticalTimeDomainReflectometry)、布里渊光时域分析技术(BOTDA,BrillouinOpticalTimeDomainAnalysis)、布里渊光频域分析技术(BOFDA,BrillouinOpticalFrequencyDomainAnalysis)和布里渊相干性域分析技术(BOCDA,BrillouinOpticalCorrelationDomainAnalysis)。

其中OTDR技术传感距离宽(一般在千米量级),空间分辨率较低(一般在10m左右),限于于测量长距离光纤中的损耗和断点。OFDR技术的传感距离一般来说不多达100m,空间分辨率低(可以超过厘米量级甚至是微米量级),温度分辨率低,限于于短距离光纤中低空间分辨率的温度测量。ROTDR技术和ROFDR技术的传感距离都较长(几百米至几千米),空间分辨率较低(一般来说为几十厘米)。

BOTDR技术和BOTDA技术的传感距离宽(千米量级),空间分辨率低(可超过厘米量级),需要精确测量光纤中的温度和形变。BOFDA技术和BOCDA技术的传感距离较短(一般为几十米至几百米),空间分辨率低(可以超过厘米量级甚至是毫米量级),温度分辨率低。表格1对比了有所不同分布式传感方法的优缺点。比起于传统的分布式光纤传感系统,高功率增益光纤中的温度测量具备测量光纤长度比较较短,空间分辨率和温度分辨率拒绝较高,测量时间拒绝较短等特点。

基于此,本文重点研究了OFDR技术、BOTDA技术、BOFDA技术和BOCDA技术的原理、发展现状及其应用于增益光纤中温度测量的可行性。表格1有所不同传感方式的主要技术参数与应用于场合  3有所不同传感方式的原理与现状  根据上文所述的分布式温度测量的分类,考虑到高功率增益光纤温度测量的空间分辨率拒绝较高,温度分辨率拒绝较高,测量时间拒绝较短,而OTDR、ROTDR和ROFDR等技术不需要符合上述条件。

同时,在基于自发性布里渊衍射的BOTDR技术中,由于后向自发性布里渊散射光较黯淡(其功率比后向瑞利散射光功率较低大约20~30dB),其信号检测较为艰难。因此,本节主要讲解OFDR技术、BOTDA技术、BOFDA技术和BOCDA技术的原理与现状。

  3.1OFDR技术的原理与现状  3.1.1OFDR技术的基本原理  OFDR技术最初是由德国Hamburg-Harburg大学的W.Eickhoff于1981年明确提出的,其基本原理如图1右图,线性扫频光源输入倒数光被光纤耦合器分成两路。其中一路光波流经到待测光纤中,该路激光在光纤中传播时会大大产生后向瑞利散射光,这些后向瑞利散射光沦为信号光通过光纤耦合器耦合到光电探测器中。另一路光束经过相同反射镜光线后作为参照光回到耦合器,某种程度被耦合到光电探测器中。光电探测器中获得的是参照光和待测后向瑞利散射光的混频信号,而后将信号输出到频谱仪中,对其展开频谱测量。

由于OFDR技术中的激光光源为线性扫频光源,故在光纤上有所不同方位x处的后向瑞利散射光的光频有所不同。因此,通过检测探测器上的光频,可以得知光纤上的方位信息,回到的瑞利散射光的振幅与光纤的局部衍射因子以及振幅波动因子成正比。通过在频谱分析仪中展开傅里叶转换,可以同时得知光纤中所有方位处的后向散射光信息,这些信息和频谱分析仪中的频率必要对应。


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