Page 54 - 网络电信2024年2月刊
P. 54
光 通 信
基于少模光纤的单端BOTDA温度传感研究
1,2
1*
1
张立欣 1,2,3 ， 田敏 ， 李永倩 1,2,3 ， 刘紫娟 , 王健健 , 耿豪键 1
1.华北电力大学电子与通信工程系
2.华北电力大学河北省电力物联网技术重点实验室
3.华北电力大学保定市光纤传感与光通信技术重点实验室
摘 要：提出了一种基于少模光纤的分布式
温度传感系统，理论分析了少模光纤的布里渊散
射谱和温度传感特性，将光纤末端产生的菲涅
尔反射光作为探测光，搭建单端结构的布里渊光
时域分析(BOTDA)系统，实现阶跃折射率两模
光纤的温度传感测量。实验结果表明，阶跃两模
光纤的布里渊频移与温度呈良好的线性关系，并
在1 km长光纤上实现了4.5 m的空间分辨率、
6.29℃的温度测量精度。
关键词：布里渊光时域分析;少模光纤;温度
传感;单端结构;
引言 一、基于少模光纤的布里渊散射特性
基于布里渊散射的分布式温度传感系统多将单模光纤作 1.1 布里渊散射谱
为传感光纤，但由于单模光纤只允许单个模式传播，芯径小、 少模光纤芯径大、阈值高、传输有限个模式，易于控制，
受单端受激布里渊散射(Stimulated Brillouin Scattering, 因此也常用于分布式测量。当光波耦合进入FMF中时，不同模式
SBS)效应的限制，使得光纤的入纤功率较低，进而导致系统的 下的光波信号会形成不同的布里渊散射谱，而不同散射谱对测
信噪比低、传感距离有限。随着光纤传感技术的快速发展，少 量参数的变化也不相同。对于FMF而言，由于不同模式下的散射
模光纤(Few-Mode Fiber, FMF)作为一种区别于普通单模光纤 角不同，不同模式下FMF中布里渊频移FB可表示为：
的新型光纤被应用于分布式温度测量中。由于少模光纤可以传
输有限个正交模式，可以实现温度、应变、弯曲等传感测量， （1）
并可以克服多参数交叉敏感问题，具有多参量同时测量的潜力
[1,2],从而受到了国内外研究人员的广泛关注[3,4,5]。
双端型和单端型为布里渊散射光纤传感技术的两种主要结 式中，n f 是各个模式下的有效折射率，θf是各个模式下的
构。其中，双端型传感测量技术主要有双端型布里渊光时域分 散射角。
析[6](Brillouin Optical Time Domain Analysis, BOTDA)和 当频率为布里渊频移时，FMF的布里渊散射谱达到峰值，此
布里渊光相干域分析[7]等；单端型结构主要有布里渊光时域 时有：
反射和单端BOTDA[8]等。双端BOTDA需从传感光纤一端入射探
测光，另一端入射泵浦光，在实际工程应用中，因其系统结构 （２）
复杂、施工困难而应用不方便。相较于双端BOTDA,单端结构的
BOTDA在光纤发生断裂时仍具有检测能力，其单端工作方式的特
点在实际工程中应用更为方便[9]。 式中，ΔГ B 表示的是FMF中布里渊增益谱(Brillouin Gain
本文提出一种基于阶跃折射率两模光纤的单端BOTDA温度传 Spectrum, BGS)的谱宽，其表达式可以表示为：
感系统，探索基于少模光纤的温度传感特性，在1 km长传感光
纤上实现了空间分辨率为4.5 m、测量精度为6.29 ℃的温度传 （3）
感。
52 网络电信 二零二四年一、二月
