基于增益谱调控的布里渊光时域分析仪优化

摘要

本文介绍了一种基于增益谱工程的布里渊光时域分析仪协议。该方法提升了传感性能，包括传感范围和被测量分辨率，并对额外的布里渊强度噪声进行了研究。该协议提出了一种增强分布式布里渊传感性能的新途径。

摘要

本文展示了一种用于提升布里渊光时域分析仪（BOTDA）传感性能的独特方法。该方法将一个布里渊增益谱（BGS）与两个对称的布里渊损耗谱（BLS）叠加，形成一种复杂的工程化谱形，从而增强对传感系统噪声的抵抗能力。与传统BOTDA系统中仅使用一个泵浦光和一个探测光相互作用的方式不同，本方法利用三个光学探测波，其中一个探测波位于BGS内，另外两个对称地位于BLS内。由于这种工程化谱形对噪声具有较强的抗干扰性和不敏感性，传感性能提升了60%，被测量的分辨率也提高了一倍。

引言

分布式光纤传感（DFS）是一种独特的机制，它将整根光纤用作传感介质。由于光纤损耗低、体积小，并且能够轻松嵌入大坝、桥梁和建筑物等各种结构中，作为人工神经系统实现环境监测，因此受到广泛关注。与使用大量传统点式传感器（如光纤布拉格光栅，FBG）相比，在基础设施监测和结构健康监测等大规模传感任务中，分布式光纤传感提供了更高效且更具成本效益的解决方案¹。

目前的分布式传感器利用光纤内部不同的散射机制来测量温度和应变分布。其中，基于布里渊散射的分布式光纤传感（DFS）由于受激布里渊散射（SBS）具有显著优势而最受关注，例如高信噪比（SNR）、低阈值，以及对温度²和应变³的敏感性。SBS 可以经典地描述为入射光连续波（CW），即泵浦光，与通过声波相互作用的反向传播连续波探测光之间的相互作用。根据能量和动量守恒定律，探测光的频率相对于泵浦光发生下移，这种频移称为布里渊频移（BFS）。考虑到声波寿命有限（约10 ns），折射波具有有限的频谱分布，也称为布里渊增益谱（BGS），其中 BFS 是泵浦光与增益谱峰值中心频率之间的频率差。波之间的相互作用导致一个频率下移的增益区域和一个频率上移的损耗区域，分别使探测光被放大或衰减。对于C波段的标准单模光纤（SSMF），BFS 约为 11 GHz，BGS 呈洛伦兹线型，其半高全宽（FWHM）极窄，约为 10–3....

方案

1. 通过模拟选择光谱工程的优化参数

1. 使用以下方程对设计的布里渊增益谱（BGS）g_SBS(ν,z) 进行建模^28,29
   
   具体实现可参考提供的补充 MATLAB 脚本。
   注：此处 G(ν) 为复增益系数，在脚本中由 SBS_g 函数（用于传统 BGS）或 SBS_gl 函数（用于设计的 BGS）内的变量 G_complex 计算得出；g(ν,z) 为局部复布里渊增益；g_SBS 和 φ_SBS 分别为 g(ν,z) 的实部和虚部，表示从泵浦光输入端起位置 z 处的 BGS 和布里渊散射（SBS）相位响应。在脚本中，

结果

图3展示了仿真结果。图3A中η < 1 的点表示使用设计的布里渊增益谱（BGS）可获得更小的频率误差（更高的被测量分辨率）。数值越低，优势越明显。最小比值出现在m = 1处，表明可采用多探针而非多泵浦方案（见讨论部分）。图3B显示了在选定的m和d参数下，频率误差比η沿光纤的分布情况。虚线表示在相同频率误差容限（被测量分辨率要求）下的传感距离扩展。最大传感距离扩展达到60%。实验采用图4B所示的装置方案进行。图6A展示了典型的传统BGS与所提出BGS及.......

讨论

实验过程中最关键的步骤是使三个探针光的功率相等，以确保m = 1，并实现两个布里渊损耗谱之间的对称性。除了在步骤4.9和4.10中通过在Cir端口2处使用功率计单独检查功率外，还可以在数字化仪中更精确地验证功率的均衡性。将射频1（RF 1）的频率设置为约11 GHz（光纤的布里渊频移BFS），并关闭EDFA 3，可在数字化仪中记录具有峰值增益的传统轨迹（轨迹1）。随后，将射频2（RF 2）和射频3（RF 3）的频率分别设置为BFS - d∙Δν_B0和BFS + d∙Δν_B0。关闭EDFA 2而开启EDFA 3，分别通过关闭光开关OS 1和OS 2，记录在较低频率（轨迹2）和较高频率（轨迹3）处具有最大损耗的轨迹。当这三个轨迹的幅度与直流偏置幅度相等（即受激布里渊增益等于损耗）时，表明三个探针光的功率已良好均衡。通过微调EDFA 2和EDFA 3的电流值以及VOA的衰减量，可分别独立调节这三个轨迹的幅度。

在光电探测.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
激光二极管电流控制器	ILX Lightwave	LDX3220
数字化仪	Acqiris SA	U5309A-1039
掺铒光纤放大器 1	Photop	PTEDFA-A-PA-C-SCH-15
掺铒光纤放大器 2	LiComm	OFA-TCH
掺铒光纤放大器 3	Calmar Optcom	AMP-ST30
掺铒光纤放大器 4	Photop	PTEDFA-A-PA-C-SCH-15
光纤布拉格光栅 1	Advanced Optics Solutions	T-FBG
光纤布拉格光栅 2	Advanced Optics Solutions	T-FBG
待测光纤	ofs
光隔离器	General Photonics	S-15-NTSS
激光二极管	3SP Group	A1905 LMI
马赫-曾德尔调制器 1	Avanex	IM10
马赫-曾德尔调制器 2	Avanex	IM10
马赫-曾德尔调制器 3	Avanex	IM10
半导体光放大器纳秒驱动板	Highland Technology	T160-9 (28A160-9C)
10:90 光耦合器	Newport		台式耦合器/波分复用器
50:50 光耦合器	Newport		台式耦合器/波分复用器
光谱分析仪	Hewlett Packard	86145A
光开关 1	JDSU	SN12-1075NC
光电二极管	Thorlabs	D400FC
偏振扰模器	General Photonics	PSY-101
脉冲发生器	Hewlett Packard	8082A
射频信号发生器 1	Anritsu	MG3692C
射频信号发生器 2	Agilent Technology	E8257D
射频信号发生器 3	HTM	T2100
半导体光放大器	Thorlabs	SOA1013SXS
激光二极管温度控制器	ILX Lightwave	LDT5948
半导体光放大器温度控制器	Tektronix	TED200
可变光衰减器	JDSU	mVOA-A1	带光开关功能