• 光纤传感

1 光纤传感

       本方向研究领域主要涉及连续分布式光纤传感技术研究,已在布里渊分布式光纤传感、偏振光时域反射光纤传感和基于瑞利散射的相干光时域反射技术等具体方向取得重要进展,并成功地将布里渊光时域反射技术应用于海底光缆故障定位和高铁声屏障健康监测。

1.1 布里渊分布式光纤传感技术研究

       主要研究基于自发布里渊散射的布里渊光时域反射(BOTDR)与基于受激布里渊散射的布里渊光时域分析(BOTDA)光纤传感技术,用于温度和应变等参量的连续分布式测量。

1.1.1 多波长BOTDR和零差BOTDR技术研究

       使用多波长探测光,可在避免非线性效应的前提下提高系统的信噪比,亦可比单波长测量获得较高的测量效率。使用零差BOTDR技术,是利用LEAF、SMF28e+等光纤中多个布里渊散射的互拍信号,无需参考信号和布里渊散射谱扫描,即可获得温度和应变的双参量连续分布式测量。


多波长外差BOTDR系统结构图

C. Li, Y. Lu, X. Zhang and F. Wang, Electronics Letters, 48(18):1139-1141, 2012

Fig3(b)Fig4(b)

基于零差BOTDR的温度和应变同时测量

Y. Lu, et. al, IEEE Photonics Technology Letters, 25(11): 1050-1053, 2013

       此外,我们在还开展了电光调制器的消光比对BOTDR系统信噪比影响的研究(Y. Lu, et.al, Optics Communications, 297:48-54, 2013),提出了解决BOTDR系统空间分辨率与频率测量精度这对矛盾的布里渊散射信号处理方法(Y. Yao, Y. Lu, et.al, IEEE Photonics Technology Letters, 24(15):1337-1339, 2012),成功利用BOTDR技术实现缆内光纤残余热应变的高分辨率测量(Y. Lu, et.al, Optics and Lasers in Engineering, 49(9-10):1111-1119, 2011),提出了基于Hadamard序列的脉冲编码BOTDR技术(Y. Lu, et.al, The 9th International Conference on Optical Communications and Networks, 2010),利用分段傅里叶变换对BOTDR系统获得的布里渊信号处理,以缩短信号采集环节的测量时间(F. Wang, et.al, Measurement Science and Technology, 20(2):025202, 2009 )。

1.1.2 暗基底探测脉冲光的BOTDA技术研究


DBpulse

暗基底探测脉冲光

       提出如图所示的一种暗基底探测脉冲光,用于进行BOTDA的分布式传感,可有效分辨出传感光纤中很短长度上的存在的微小应变,我们准确地测得了两个间隔30 cm 的5 cm 长光纤上存在的应变。

测得的光纤中的布里渊频移分布。

   F. Wang, X. Bao, L. Chen, Y. Li, J. Snoddy, and X. Zhang, Opt. Lett. 33, 2707-2709 (2008).

1.1.3 传感系统中偏振相关性的影响及抑制研究

       光波的偏振性对基于布里渊效应的光纤传感有较大的影响。我们研究新的方法来消除布里渊光纤传感系统中的偏振相关噪声。如图所示,为利用与马赫曾德干涉仪相似结构的构造来消除布里渊光纤传感系统中的偏振相关噪声。通过图中虚线所标示的结构,偏振相关噪声得到了有效的消除,如图中测得的光纤沿线的布里渊谱分布所示。

消除偏振相关噪声的BOTDR实验装置示意图

测得的光纤沿线的布里渊谱分布。(a)为利用新方法获得的结果。(b)为直接测量得到的结果。

 F. Wang, C. Li, X. Zhao, and X. Zhang, Appl. Opt. 51, 176-180 (2012).


1.1.4 布里渊光纤激光器及其在BOTDR中的应用

       自发布里渊散射信号一般利用相干检测的方法来提高检测信噪比。单频布里渊光纤激光器可以用于得到与传感光纤布里渊stocks光频率接近、单模输出、功率稳定的低噪声本振光。该方案的显著优点在于可以节省高功率的微波移频器件,有利于系统的小型化和提高稳定性。除用于BOTDR系统外,单模连续光输出的布里渊光纤激光器由于其极窄的线宽、极好的相干性,在光纤陀螺、光纤传感、以及相干光通信系统中具有广泛的应用。

  使用单频布里渊光纤激光器的BOTDR系统结构图




1.2 偏振光时域反射技术(POTDR研究


       偏振光时域反射技术通过检测光纤中散射光波偏振态的变化来对光纤的状态进行传感。它具有灵敏度高、误报率低、可测量并定位光纤中任意位置处的扰动。在防入侵监测、光缆及光电复合缆线路的保护监控、振动监测等方面有重要应用。


POTDR示意图。



1.2.1 基于偏振光时域反射技术的新结构、新机理研究

       光纤中光波的偏振态对振动、温度、弯曲等作用十分敏感,如图所示的POTDR传感系统通过利用检偏器将光波偏振态的变化转换为功率的变化,具有结构简单、响应速度快等优点。但它难以实现多种事件的分辨和对同时存在的多个事件点的准确定位。

       本方向研究利用新的传感系统结构和基于偏振态的新传感机理,实现偏振敏感的光纤传感技术。并同时研究对传感对象中同时存在的多个事件进行准确的识别和定位的方法。

       图示为一种与光纤光栅阵列相结合的POTDR传感系统。通过利用光纤光栅增强反射信号光的强度,可有效提高传感系统的信噪比,使振动的测量更准确。

与光纤光栅相结合的POTDR传感系统


1.2.2 偏振态对其它光纤传感技术的影响及其它光纤传感技术的融合研究

       研究同时利用多种分布式光纤传感技术同时进行多参量的全分布式测量。如图所示,为POTDR与BOTDR相结合的全分布式传感系统,可同时进行应变和振动的分布式测量。

可同时进行应变和振动测量的全分布式传感系统示意图

左图为测得的振动信号的频谱,右图为测得的布里渊信号的频谱。

 F. Wang, X. Zhang, X. Wang, and H. Chen, Opt. Lett. 38, 2437-2439 (2013).


1.3 基于布里渊散射效应的光纤特征参数分布式测量技术研究

      主要研究利用光纤中的布里渊散射效应,对通信光纤的双折射、群时延等参数进行连续分布式测量。

1.3.1 近期的研究以零差BOTDR技术为手段,实现各类通信光纤的双折射参数分布式测量。

fig1

光纤分布式双折射测量装置示意图

OL-Fig4

非零色散位移光纤的双折射参数测量结果

Y. Lu, X. Bao, L. Chen, S. Xie, and M. Pang, . Optics Letters, 37(19):3936-3938, 2012


1.4 基于瑞利散射的相干光时域反射技术研究

       相干光时域反射仪(Coherent OTDR)是基于相干检测技术的光时域反射仪。利用相干检测,可以实现近量子探测极限、降低探测器动态范围等优点;但由于使用高稳定性的光源,同时带来衰落噪声(偏振和瑞利衰落噪声)。相干光时域反射仪主要用于超长距离海缆系统监测,成为整个海缆通信系统的必备子系统。在海缆系统监测中,提升动态范围和降低衰落噪声/提高测试速度是最重要的研究内容。

我们已经成功为华为技术有限公司开发出Coherent OTDR系统;并且在此基础上,我们首次提出多频率Coherent OTDR(基于多频率探测脉冲的Coherent OTDR),从而实现动态范围的提升、降低衰落噪声/提高测试速度等优势。

1.4.1 多频率Coherent OTDR

       如Fig. 1,利用多频率的探测脉冲和本振,我们实现了衰落噪声的快速降低(16倍),从而能提升测量速度;但同时却牺牲了动态范围,测试结果见Fig. 2。

Fig. 1. Schematic setup of the novel multi-frequency COTDR. ECLD: external cavity laser diode; AOM: acousto-optic modulator; PS: polarization scrambler;  BPD: balanced photodetector.


Fig. 2.  COTDR traces (a) and amplitude fluctuation (b) of two different types.

(OFCNFOEC2012 OTu1C.4)


1.4.2 TDM-COTDR

       利用多频的时域脉冲(Fig. 3),相比较于传统的COTDR技术,TDM-COTDR可以实现较大的动态范围提升。当使用10个频率脉冲时,动态范围提升了~8dB(Fig. 4),其中8.0 dB DR enhancement = 3.0 dB (twofold signal power) +5.0 dB (5log10, noise suppression from 10*sampling datum)

Fig. 3. Setup of TDM-COTDR


Fig. 4. Measurement results


IEEE Photon. Technol. Lett. 24, 2005-2008 (2012)


1.5  BOTDR的工程应用研究

1.5.1 海底光缆故障定位

       海底光缆承载国际通信业务量的90%, 海底光缆易受伤受人为及自然灾害影响,2006年台湾7.2级地震导致14条海底光缆中断,大陆通往台湾地区、北美、欧洲、东南亚等方向的互联网大面积瘫痪。海底光缆故障定位意义重大:快速精度定位出故障位置,可及时完成对海缆的挖掘、接续等修复过程,最大限度地减小通信中断带来的损失。我们提出了海底光缆现场故障定位系统方案,利用布里渊光时域反射(BOTDR)技术、BOTDR设备数据采集的虚拟仪器技术和故障点空间精确定位的微扰方法,可实现对海缆的精确定位。我们开发了BOTDR海底光缆故障定位系统软件,利用BOTDR设备多次成功实现了海底光缆故障定位。



海底光缆现场故障定位系统方案

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  BOTDR海底光缆故障定位系统软件



DSCN2788

某海底光缆故障点定位工程的结果



1.5.2 高铁声屏障健康监测


       铁路沿线修建的声屏障能够有效降低高铁沿线的噪声污染,但是由于声屏障结构的动力学特性,也存在一定的安全隐患。我们研制了铁路声屏障结构监测预警系统,该系统基于BOTDR分布式光纤传感技术,根据声屏障结构设计光纤传感系统,利用传感光缆作为传感介质,监测声屏障结构的变形状况。同时依据传感光缆的应变信息判断声屏障结构是否出现吸声板变形或立柱倾覆等事件,对声屏障结构健康状态进行评估和及时预警。

京沪高铁声屏障现场传感光缆铺设实景图

声屏障变形量与微应变的关系

1.6 拍频光纤传感     

为了克服其他光纤传感中光纤偏振态的影响等,我们提出了光纤拍频传感解调技术,该技术采用全新的光纤激光多纵模模间拍频频率作为传感信息来监测信号。不受光源、激光强度以及偏振态的影响,而且对拍频信号的解调仅需要一个光电探测器和一个频率计数器,结构简单。      

   

      

多模光纤激光光传感器结构原理示意图    

  利用该技术,我们成功实现了应力、温度以及多参量同时测量。利用了成熟的调频解调器(FMD)对拍频信号进行解调,避免了复杂的光信号处理,实现了传感信号的动态监测。    

      

(a) 基于多纵模激光温度传感器 (b)应力和温度同时测量传感系统示意图      

Z. Yin, L. Gao, S. Liu, et.al, IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology, 28(23):3403-3408 (2010);    

L. Gao    L. Chen    L. Huang    , and X. Chen    , Optics Express, 20(2    0):22517-22522 (2012)    

该技术可以进一步通过波分、频分拍频解调技术可实现大规模传感阵列,根据每个传感器波长和频率,解调出所有传感器信息。