摘 要

布里渊光时域分析技术(Brillouin optical time domain analyzer, BOTDA)是一种基于布里渊散射的分布式光纤传感技术，具有测量距离长、空间分辨率高和信号处理简单的优点。本文主要研究改进的增益包络跟踪的布里渊光学时域分析技术(Modified gain-profile tracing-Brillouin optical time domain analysis, MGPT-BOTDA)，研究过程和结论如下：

1、探究脉冲光宽度和增益谱谱宽的关系。实验总结脉冲宽度和增益谱谱宽的关系：在脉冲进入光纤的长度较短（小于1000ns左右）时，增益谱谱宽会随着脉冲宽度的增加而非线性变窄；在脉冲进入光纤的长度较长（大于1000ns）时，增益谱谱宽随着脉冲宽度的增加而线性增加，脉冲宽度每增加1000ns（即脉冲光进入光纤的长度增加100m）增益谱约展宽2MHZ。

2、对比分析不同技术监测光纤温度变化的实验结果。在1.1km长的G652.D光纤上11m-14m范围内施加30°C-90°C的温度变化，对短脉冲、GPT (Gain profile tracing)、MGPT和差分脉冲四种技术进行对比。实验总结：短脉冲技术的温度系数为0.8MHZ/°C小于其他三种技术的温度系数1MHZ/°C；GPT技术和MGPT技术测得的增益谱谱宽最窄，约为0.03GHZ，差分脉冲约0.04GHZ，短脉冲技术最宽，约为0.11GHZ。

3、比较MGPT技术上升沿和下降沿测量的布里渊增益谱。在1.1km长的G652.D光纤上，得到六组上升沿和下降沿测得的增益谱结果。实验发现：上升沿测量的增益谱要比下降沿测量的增益谱更宽。

本文的研究表明：布里渊增益谱的谱宽会随着脉冲光宽度的变化而变化；相较于短脉冲技术、差分脉冲技术和GPT技术，MGPT技术具有温度系数大、测得的布里渊增益谱较窄和测量时间快的优点；由于声场模式的不同，上升沿和下降沿测得的布里渊增益谱谱宽不同，上升沿测量的增益比下降沿测量的增益谱宽。

关键词：布里渊光时域分析；改进增益包络追踪技术；布里渊增益谱；光纤温度传感

Abstract

Brillouin optical time domain analyzer (BOTDA) is a distributed sensing technology in optical fiber based on Brillouin scattering. It has the advantages of long measurement distance, high spatial resolution and simple signal processing. Analyzing Brillouin gain spectrum plays an important role in BOTDA. In this paper, we study the BGS measured by Modified gain-profile tracing-Brillouin optical time domain analysis (MGPT-BOTDA) system. The research process and conclusions are as follows:

1. We explore the relationship between pulse width and the width of BGS. The experiment shows the relationship between the pulse width and the width of BGS is as follows: If the length of the pulse entering the fiber is short (which is less than 1000 ns), the width of BGS will become narrower with the increase of the pulse width. If the length of the pulse entering the fiber is long ( which is more than 1000 ns), the width of BGS will increases linearly with the increase of the pulse width, and the gain spectrum broadens by 2MHZ with the increase of 1000ns (that is, the length of the pulse tube light entering the fiber increases by 100m).

2. With temperature change of optical fiber, we compare and analyze the gain spectrum parameters obtained by different techniques. We apply a temperature variation from 30 °C to 90 °C on G652.D optical fibers which the all length is 1.1km in the range of 11m-14m. The four technologies of short pulse, GPT (Gain profile tracing), MGPT and differential pulse were compared. The experimental summary: The temperature coefficient of short pulse technology is 0.8MHZ/ °C, which is less than other three technologies (1MHZ/ °C). The BGS of GPT technology and MGPT technology is the narrowest, about 0.03GHZ. The differential pulse is about 0.04GHZ, and the short pulse technology is the widest (0.11GHZ).

3. We compare the Brillouin gain spectrums measured by rising and falling edges. We use the MGPT technology to monitor six groups of gain spectrums measured by rising and falling edges on optical (1.1 Km ) G652.D optical fibers . It is found that the gain spectrum measured by rising edge is wider than that measured by falling edge.

The research results show that the spectral width of BGS varies with the pulse width. Compared with short pulse technology, differential pulse technology, GPT technology and MGPT technology has the advantage of larger temperature coefficient, narrower length of BGS and faster measurement time. Because of the different modes of sound field, the gain spectrum measured by rising edge is wider than that measured by falling edge.

Key words: BOTDA, MGPT, BGS, Optical Fiber Temperature Sensor

目录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 布里渊光时域分析技术 2

1.2.1 短脉冲技术 2

1.2.2 差分脉冲技术 2

1.2.3 GPT技术 3

1.2.4 MGPT技术 4

1.3 论文安排 4

第2章 基于受激布里渊散射的分布式传感的原理 5

2.1 测量原理 5

2.1.1 稳态方程 6

2.1.2 温度传感原理 7

2.2三种技术原理 8

2.2.1 短脉冲技术 8

2.1.2 GPT技术 9

2.1.3 MGPT技术 11

2.2 BOTDA系统 12

2.2.1 系统框图 12

2.2.2 技术指标 13

2.3 布里渊增益谱的展宽 14

2.3.1 自然展宽 15

2.3.2 波导展宽 15

2.3.3 卷积展宽 16

2.4 本章小结 17

第3章 基于受激布里渊散射的分布式传感仿真 18

3.1 BOTDA系统传感仿真 18

3.1.1 无温变仿真 18

3.1.2 有温变仿真 21

3.2 增益谱展宽仿真 24

3.2.1 波导展宽 24

3.2.2 卷积展宽 24

3.3 本章小结 26

第4章 基于受激布里渊散射的分布式传感实验 27

4.1 增益谱谱宽随脉冲长度变化的实验 27

4.2 四种方法温度实验的对比 31

4.2.1 温度系数的对比 32

4.2.2 增益谱谱宽的对比 34

4.2.3 对比总结 34

4.3 MGPT上升沿和下降沿的对比 35

4.4 本章小节 38

第5章 总结与展望 39

5.1 总结 39

5.2展望 40

参考文献 41

致 谢 43

第1章 绪论

1.1 引言

18世纪20年代发展起来的光纤传感技术，因为其体积小、测量精度高、抗电磁干扰等优点而比传统的传感技术应用广泛。1976年，Barnoski. M等人提出的光时域反射(Optical Time Domain Reflectometer，OTDR)技术^[1]，让分布式光纤传感(Distributed optical fiber sensing，DOFS)得以实现。

依据散射光的种类不同，可以将分布式光纤传感分为三类：基于瑞利散射、基于拉曼散射和基于布里渊散射的光纤传感术。其中，瑞利散射由于对温度和应变无响应特性，用于光纤损耗和断点检测^[1]；拉曼散射对应变作用无明显响应，只对温度变化敏感，因此用作分布式温度传感技术^[2]；布里渊散射不但对温度和应变变化都有响应，而且背向散射光强度在三者中较高（约是拉曼散射的两个数量级），因此广泛用于长距离分布式应变/温度传感应用中^[3]。

依据基于布里渊散射的分布式光纤传感技术的分析原理不同，可以进一步分为五种：布里渊光时域反射仪(BOTDR，Brillouin opticaltime domain reflectometer)、布里渊光相关域反射仪(Brillouin optical coherent domain reflectometry，BOCDR)、布里渊光时域分析技术(Brillouin Optical time domain analysis, BOTDA)、布里渊光频域分析技术(Brillouin optical frequency domain analysis，BOFDA) 和布里渊光相关域分析技术(Brillouin optical coherent domain analysis，BOCDA)。前两种技术是基于自发布里渊散射的技术，后面三种技术是基于受激布里渊散射的技术。BOTDR系统的优点是成本较低，布局简单；劣势是受微弱光信号和损耗的限制导致测量精度低和测量范围小。BOCOR技术的优势具有高空间分辨率；劣势是对光源的要求高，实现难度大，测量时间长。BOFDA技术的优势是可实现超高分辨率；劣势是技术繁杂，实现困难。BOCDA技术的优势具有高空间分辨率的同时测量时间还短；劣势是遭到相关峰特性的限定，调制繁杂，测量距离短。光纤中的自发布里渊散射相较于受激布里渊散射信号弱，所以检测起来困难。BOFDA的光纤的最大传感距离与频率的扫描步进有关，理论上远低于BOTDA 技术；BOCDA 的空间分辨率受光源的调制频率限制，只能算是一种准分布式，同时BOFDA和BOCDA技术对于信号的处理复杂。综上，BOTDA 系统在性能指标上优势明显。

2010年Tom Sperber提出的基于增益包络跟踪的布里渊光学时域分析 (Gain profile tracing-Brillouin optical time domain analysis, GPT-BOTDA)^[4]技术提高空间分辨率至厘米级，在其基础上提出的改进的增益包络跟踪的布里渊光学时域分析(Modified gain-profile tracing-Brillouin optical time domain analysis，MGPT-BOTDA)技术，相较于GPT技术在检测效率上有优势^[5]。但是该技术在布里渊增益谱（Brillouin gain spectru，BGS）测量上是否具有优势还不能确定，BGS线宽与脉冲宽度的关系、上升沿测量对BGS有无影响、上升和下降沿测量BGS的模型是否一致等问题都将是该技术所要解释的问题。

综上，利用改进增益包络跟踪技术测布里渊增益频谱的研究是很有必要的，所以本文通过研究MGPT-BOTDA测量BGS，建立相关模型，完善了MGPT技术的理论；并通过比较MGPT、GPT、短脉冲和差分脉冲四种技术监测光纤温度变化的实验结果，还原四种技术下的BGS，更好地分析了四种技术的优缺点。

1.2 布里渊光时域分析技术

1.2.1 短脉冲技术

最早的BOTDA系统是使用短脉冲（脉冲宽度小于100ns）进行空间定位和监测，该技术是将光纤上某处脉冲时间内的光强变化近似为该点的布里渊增益，通过直接扫频得到该处的布里渊增益谱。这种情况下，如果想提高空间分辨率就必须缩短脉冲宽度，但是脉冲宽度受限于声子寿命（光纤中约10ns），限制空间分辨率（Spatial Resolution , SR）最高为1m。J.Smith 等人在1999年发表的著作^[6]中，理论上说明：测量最终得到的布里渊增益频谱是脉冲光频谱和自然布里渊增益频谱的卷积，短的脉冲长度会导致较宽的布里渊增益谱（BGS）和较弱的布里渊信号，特别是当脉冲宽度比光纤材料的声子寿命短得多时（光纤中约10 ns）。同年Bao. X等发表的另一篇著作^[7]在实验上总结：不同脉冲持续时间对布里渊增益谱的线宽的影响，当脉冲宽度远大于声子寿命（10ns）时，测得的布里渊谱线宽与自然布里渊谱线宽一致；当脉冲宽度靠近并小于声子寿命时，布里渊谱线宽增大，在脉宽5ns处到达最大值；对于1ns持续时间的脉冲（比声子寿命10ns短得多）测量的线宽回到自然线宽。脉冲宽度和BGS之间这样的关系，给在提高空间分辨率的同时又保证布里渊增益谱测量精度的技术的实现增加了难度。

1.2.2 差分脉冲技术

2008年Li.W等提出差分脉冲布里渊光学时域分析（Differential pulse-width pair-Brillouin optical time domain anlysis ，DPP-BOTDA）^[9]，该技术使用脉冲宽度不同的两个脉冲，对单个脉冲分别执行测量，然后对两个布里渊信号做差获得差分布里渊增益信号。此种技术有下面优点^[8]：1）脉冲持续时间长可以获得较窄的线宽（lt;30MHz）的BGS，提高了布里渊频移测量的精度；2）通过可调脉宽提高布里渊频移的探测精度。缺点一是如果传输距离过长会出现过度放大探测光脉冲的情况；二是需要两次测量，以双倍的测量时间为代价提高空间分辨率。

为改善缺点一，在其基础上提出了基于时分复用的布里渊光学时域分析(Time-division-multiplexing-based Brillouin optical time domain analysis ，TDM- BOTDA)技术和差分脉冲的结合。TDM- BOTDA也是采用两个脉冲，两个脉冲一个作为泵浦光一个作为探测光，并将探测光由连续光变为脉冲光，。空间分辨率仍由泵浦光的脉冲宽度决定，而传感长度则由探测脉冲宽度决定，整个传感光纤的测量是通过改变两个脉冲之间的延迟来实现对每个传感段的测量，称为不同光纤段的时分复用。相互作用长度由探测光脉冲宽度决定，不是由整个光纤长度决定，故可实现在不过度放大探测光脉冲的情况下提高信噪比。将对光纤进行两次TDM- BOTDA测量，利用差分脉冲的处理方法对两次测量结果做差就可以得到布里渊增益谱。但是这种情况下，对光纤进行时域划分测量增加了测量时间，加上使用差分脉冲的原理进行两次测量就更加增加了测量时间。

针对缺点二，2010年Bao. X提出了光学差分参量放大布里渊时域分析（Optical differential parametric amplification-Brillouin optical time domain analysis ，ODPA-BOTDA）^[10]，这种技术利用两个频率不同的脉冲光同时进行测量，在斯托克斯频率和反斯托克斯频率上具有小脉冲宽度差的两个长脉冲，两个脉冲会在光纤相同位置分别产生布里渊增益和布里渊损耗。在两个脉冲的重叠区域，增益和损耗在良好的情况下可以相互抵消，有差异的部分两者出现布里渊增益或损耗，以此探测布里渊增益谱。因此，该技术在只进行一次测量的情况下得到了布里渊增益谱。

1.2.3 GPT技术

2010年Tom Sperber提出的GPT-BOTDA，也采用常见的预激励方法，但没有发射与声波相互作用的预泵浦的询问脉冲，而是使用了一个长脉冲作为泵浦光同时实现预泵浦和布里渊散射。该技术使用与光纤长度相对应的脉冲光作为泵浦光，过程是：泵浦光先进入光纤至充满光纤（此过程视为预激励阶段），然后突然关闭泵浦光，泵浦光开始撤离光纤，泵浦光的下降沿从光纤的起点向末端移动，相互作用长度逐渐减少，会导致散射光功率下降。按照功率的对数对时间的导数与布里渊增益成线性关系，可以获得布里渊增益谱。此种技术的脉冲下降沿的长度（几百皮秒）限制空间分辨率为厘米级，但是监测时间会有所增加。该技术的空间分辨率将不再由脉冲宽度决定，而是受限于脉冲下降沿的长度。理论上，下降沿可以无限小，但是实际实验中下升沿通常为几百皮秒，对应空间分辨率就是几厘米。该技术将系统空间分辨率提高到厘米级，但较长的脉冲宽度也使得光纤上的布里渊增益分布的单时域跟踪时间相对较长。

1.2.4 MGPT技术

MGPT-BOTDA技术改进了泵浦脉冲方案，充分利用脉冲的上升沿与下降沿信息，上升沿用于监测光纤前半段，下降沿用于监测光纤后半段，其具体过程和公式推导将在第二章中具体说明。MGPT使用的脉冲长度相较于GPT技术减小一半，监测时间减少四分之一。利用与GPT相似的技术测量BGS，提高空间分辨率的同时，保证了系统的检测效率。

MGPT技术相较于短脉冲在空间分辨率上有优势，相较于GPT技术在检测效率上有优势。但是该技术在BGS测量上是否具有优势还不能确定，BGS线宽与脉冲宽度的关系、上升沿测量对BGS有无影响、上升和下降沿测量BGS的模型是否一致等问题都将是该技术所要解释的问题。本次研究课题的目的和意义在于：通过研究MGPT测量BGS,建立相关模型，进而完善MGPT技术的理论；并通过比较MGPT、GPT和短脉冲测量BGS的效果，更好地分析三种技术的优缺点。

1.3 论文安排

本文主要研究不同技术下BOTDA分布式传感原理与关键参数，先简略介绍基于布里渊散射的分布传感的原理，再详细介绍短脉冲技术、GPT技术和MGPT技术下的BOTDA的原理，总结布里渊增益谱展宽的原因。通过相关实验，分析四种BOTDA技术对温度传感的优缺点，还着重分析MGPT技术下上升沿测量增益谱和下降沿测量增益谱的不同。本文的主体部分安排如下：

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