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10km、13km、20km和25km。由图4(a)可以看到，尽管脉冲宽度 图 6 瑞利散射与布里渊散射功率比值随脉冲能量的变化曲线
最大变化了4倍，但是对于同一光纤长度，功率阈值的波动不
大，在±10%左右。考虑到实验中的测量误差，基本可以认为功
率阈值与脉冲宽度的关系不大。相反，功率阈值与光纤长度密
切相关，光纤长度越长，功率阈值越低。因此，对同一光纤长
度，取4个脉冲宽度下测得的功率阈值的平均值作为该光纤长度
下的功率阈值，结果如图4(b)。可以看到，在对数坐标下，不
同光纤长度的功率阈值表现出较好的线性度。根据图4(b)中线
性拟合的结果，可以得到自相位调制限制下，由功率阈值确定
的脉冲入射功率上限值的经验公式。
P th =39.5-0.37L(dBm)
式中，L是光纤以千米为单位计算的长度。
2.受激布里渊散射的影响
由于受激布里渊散射对脉冲发射功率的限制，主要是通过
强烈的后向散射使得脉冲功率在光纤中过度衰减导致信噪比和
传感距离的迅速劣化，因此在实验中，主要利用光谱仪通过环
形器3端口观测传感光纤的散射信号光谱来进行分析。散射光谱 的变化曲线。图中展示了3种不同光纤长度的实验结果，分别
中，包含有瑞利散射和布里渊散射。其中瑞利散射功率与脉冲 是5km、10km、25km。由图6可以看到，尽管光纤长度由5km增
功率是线性关系，可以作为一个很好的参考信号来衡量布里渊 加到了25km，但是相同的入射脉冲能量下，两种散射的功率比
散射的强烈程度。 值基本一致，在±2%左右。考虑到实验中的测量误差，基本可
图 5 光纤中散射信号光谱图 以认为散射功率比值与光纤长度的关系不大。同时，在对数坐
标下，散射功率比值随入射脉冲能量变化表现出较好的线性关
系，入射脉冲能量越大，散射功率比值越小。因此，分别对三
种光纤长度的实验数据进行了线性拟合，可以看到图中三条拟
合曲线之间的差异很小。根据图6中线性拟合的结果，取三条拟
合曲线的平均曲线参数，可以得到在受激布里渊散射限制下，
由入射脉冲能量确定的散射功率比值的经验公式
D rn =17.1-16E i (dB)
式中，D rb 是光纤中瑞利散射与布里渊散射功率比值，以
分贝为单位。Ei是经环形器1端口注入光纤中的脉冲能量，以
μJ为单位。当瑞利散射与布里渊散射强度相等时，瑞利散射
与布里渊散射功率比值D rb 为0，根据式(12)可得脉冲能量为
1.069μJ。此时其所对应的50ns和100ns脉冲的峰值功率分别为
21.38W、10.69W。以典型的25km分布式光纤传感系统为例，根
据式(11)可得自相位调制的功率阈值为1.06W。由上述计算结果
可知自相位调制的功率阈值远小于受激布里渊散射对功率的限
图5为光纤长度为20km和脉冲宽度为150ns时，不同入射脉 制，所以自相位调制带来的功率限制更加明显。
冲能量时的散射信号光谱图。该入射脉冲能量为图1系统图中环
形器1端口处注入光纤的脉冲能量。入射脉冲能量主要根据脉冲 四、结论
的波形图求出，即通过峰值电压先求出脉冲的峰值功率，再与 本文研究了非线性条件下分布式光纤传感系统中脉冲峰值
脉冲宽度相乘，从而求得脉冲能量具体数值。实验中光谱仪存 发射功率上限的问题，对分布式光纤传感系统中光脉冲受自相
在一定的插损，实际测得的瑞利散射和布里渊散射波长分别为 位调制和受激布里渊散射的影响开展了实验研究。实验结果表
1549.724nm和1549.812nm。图5(a)在脉冲能量为496nJ时，瑞 明，自相位调制与色散现象的共同作用导致了脉冲波形失真，
利散射光强度为-18dBm，布里渊散射光强度为-35dBm。此时受 并且与脉冲入射功率和传感距离有关。而受激布里渊散射则会
激布里渊散射所带来的影响并不明显，后向散射光中的主要成 导致脉冲功率的过度衰减和信噪比劣化，且主要与脉冲能量有
分是瑞利散射光，布里渊散射光的强度相对较小。随着脉冲能 关。通过对实验数据的分析处理，分别给出了两种非线性对注
量的增加，超过了布里渊阈值而产生受激布里渊散射时，如图 入到光纤内光脉冲峰值功率上限值的经验公式。对于一个典型
5(b)、(c)所示，瑞利散射和布里渊散射的功率差值迅速缩小， 25km长的分布式光纤传感系统，自相位调制导致的功率阈值为
甚至布里渊散射光功率超过了瑞利散射光功率。 1.06W，比受激布里渊散射导致的功率限制还要小，因此是主要
图6为光纤中瑞利散射与布里渊散射功率比值随脉冲能量 的发射功率限制因素。
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