基于布里渊散射的分布式光纤传感技术研究

基于布里渊散射的分布式光纤传感技术研究本文针对布里渊散射分布式光纤传感系统中的受激布里渊散射过程进行了

理论研究和数值模拟,并对布里渊散射分布式光纤温度传感系统进行了实验研究。在理论研究和数值模拟方面,根据布里渊散射分布式传感系统建立了其受激布里渊散射过程的物理模型,给出了与之对应的简化光纤耦合波方程组,采用时域有

限差分方法给出耦合波方程的离散化表达式;同时详细推导了布里渊频移与温度/应变的非线性关系,并给出具体理论表达式;根据受激布里渊散射耦合波方程的离散化公式和相应的边界条件及初始条件,编写了布里渊散射过程中各光场的数值解的Matlab程序,计算求解出布里渊散射分布式传感系统中光纤中各光波场

随时间和空间的变化,并研究改变入射泵浦光波能量对布里渊散射光波波形的影响。

考虑温度对布里渊频移的影响,利用近似条件下的稳态耦合波方程,编写相

应的布里渊散射增益随温度变化的Matlab程序,计算了布里渊分布式光纤传感

系统中的泵浦光强和信号光光强随其在传感光纤中的传输距离的变化,并数值仿真模拟了传感光纤处于不同温度时的布里渊增益谱的空间分布情况。数值计算和模拟结果表明,泵浦光光强沿光纤随着传输距离的增加而逐渐减弱,Stokes散射

光光强沿光纤随着传输距离的增加而逐渐加强。

在入射泵浦光和Stokes散射光之间的能量转化关系方面,随着入射泵浦光

能量的增强,Stokes散射光能量的绝对增加量迅速增加,峰值脉冲宽度变窄。在

光纤各性能参数对布里渊频移的影响中,杨氏模量的温度/应变特性对布里渊频

移的贡献最大,并由这些性能参数的实验数据确定出布里渊频移随温度/应变变

化的关系系数;传感光纤处于不同温度时,给出Stokes散射光的光功率沿光纤随

着传输距离的增加和随布里渊频移的增加而变化的分布图。

在实验研究方面,搭建了布里渊分布式光纤温度传感系统,进行了布里渊温度传感系数测定实验,给出该系统的布里渊频移与温度的关系。对受热情况不同的光纤进行布里渊频移与温度关系测定实验时,给出按一定方法修正的曲线。

在此基础上,开展系统的分布式测温实验,确定了该实验系统的温度分辨率和温度测量精度等性能指标。实验结果表明,系统测温绝对误差值均小于1℃,相对误差在0.3%与1.3%之间,系统的测温精度为0.91℃,温度分辨率为2℃。