文摘
利用单光子探测器,小说直接检测光纤分布式测量温度的传感器提出了基于自发的布里渊散射,并演示了实验。在我们的方案中,背散射比瑞利和背散射信号采用布里渊anti-Stokes检索沿着光纤温度监测信息。利用单光子探测器的灵敏度高,提出系统实现动态范围20 dB没有任何光学放大。获得动态范围对应的感应距离120公里测量温度误差为0.96°C。此外,概念验证实验演示了1.2米空间分辨率在4.2公里传感与1.24°C的温度误差。考虑我们现在实现,性能和制造工艺的改进sing-photon探测器,开一个门的光子计数分布式布里渊传感领域的光纤传感器。
1。介绍
作为一个强大的非线性光学现象,发现了布里渊散射和广泛研究了几十年。它吸引了密集的兴趣时间/频域波束形成(1- - - - - -5),高获得布里渊增强弱信号的6- - - - - -8近年来,分布式温度传感系统(9,10]。光纤温度传感器的情况下,Brillouin-based分布式光纤温度传感器是一个有吸引力的替代传统的传感器,不仅因为他们是采用一个标准单模光纤(SMF)作为常见的光纤传感元素取代可能成千上万个不同的传感器,但也从传统光纤传感器、继承特性,如低成本、耐用性、规模小,与稳定。这使得Brillouin-based分布式温度测量系统在土木工程领域,特别具有吸引力的结构健康监测(SHM)等大型设施,长距离管道温度测量,和其他人。
这些Brillouin-based分布式光纤传感器主要可以分成两类:布里渊的反射计(光学时间domain-BOTDR) (11- - - - - -13)和布里渊分析仪(光学时间domain-BOTDA) (14- - - - - -16]。其中,第一类(BOTDR)被认为是最有前途的技术之一,可以检索分布式环境温度信息的单端测试纤维(砰的一声)架构,大动态范围和随机访问。它通常采用脉冲调制调查审问砰的一声,解调位置信息的飞行时间背散射的传感光纤布里渊光子。温度作为最常见的BOTDR系统的监测参数,因为这是数量的砰的一声天生敏感。一般来说,传感光纤的温度条件的变化产生布里渊介质的声学性质的变化,结果,可以通过检查解调的布里渊频移(BFS)监控。大多数发达到目前为止都是基于BOTDR传感装置的温度和应变依赖BFS [9]。因此,相干外差检测和频率扫描(17)需要在这些Brillouin-based传感系统获取的布里渊增益谱(英国)和高信号噪声比(信噪比)。然后,石,它既取决于应用沿传感光纤温度和应变,可以通过洛伦兹曲线拟合英国地质调查局。因此,传感系统配置是相当复杂的,和频率调谐的过程监控英国地质调查局将非常耗时。
值得注意的是,在Brillouin-based分布式温度系统(DTS),也就是说,BOTDR DTS系统,测量环境温度信息也可以从背散射的强度比瑞利组件和自发的布里渊散射(SpBS)组件(即。斯托克斯分量和anti-Stokes分量)首次报道实验的施罗德et al。18]。然而,分离的SpBS信号衰减率高的瑞利散射(RS)信号问题是一个关键的挑战。很明显,残余RS SpBS信号组件将发展一个强大的背景噪音测量布里渊组件时,产生了一个重要的温度误差。要有效地解决关键问题,许多学者做了大量研究来完成RS和SpBS信号强度的测量,如光纤布喇格光栅(FBG)陷波滤波器19),扫描法布里-珀罗干涉仪(20.[],和马赫-泽德干涉21]。但斯托克斯之间的典型的频移值/ anti-Stokes组件和瑞利约为10.85 GHz(∼0.0868海里)常见的石英光纤。因此,正如上面提到的,这些提议的方法不能够获得相对纯粹的布里渊信号。此外,扩大温度传感距离限制的力量微弱信号和光子探测器(PD)的敏感性,一些组织使用光学前置放大方法解决这个传感范围问题[22]。不幸的是,由于光抽运放大器的参与,BOTDR DTS传感器会产生一个大ASE-ASE击败噪音很容易恶化传感性能。另一方面,更合理的方法获得长时间没有放大激光脉冲测量距离是提高接收机的灵敏度。目前,利用高灵敏度的单光子探测器(SPD)约-100 dbm代替线性PD在传统OTDR)系统来获得大的动态范围和高空间分辨率是证明(232011年)。胡锦涛et al。(24)提出了一个独特的光子计数OTDR)基于超导纳米线单光子探测器(SNSPD),监控一个0.04厘米的空间分辨率和传感长度110公里。然而,高灵敏度的探测器实现通过电子放大,这就需要低温(2 K∼4 K)来抑制噪声。
在这项工作中,我们从理论和实验报告一本小说直接检测BOTDR分布式温度测量传感器系统的基础上,结合瑞利信号的强度比和anti-Stokes (RASR)方法和单光子探测技术,在分离从瑞利anti-Stokes组件的信号是通过级联光纤光栅滤波器,然后由RASR计算环境温度信息。同时,采用time-corrected单光子计数(TCSPC)方法生成直方图之间的飞行时间延误事件的探测光脉冲和反散射光子捕获。最大动态范围可以达到20 dB(对应于120公里感应范围,考虑到砰的一声的衰减率约为0.168 dB /公里在我们的实验中)没有任何光学放大。此外,实验结果还表明,该方法适用于实现高空间分辨率和可接受的测量误差以及大型传感长度在一个相对简单的方案中,约1.2米空间分辨率和温度测量误差约1.24°C得到4.2公里传感范围。
2。理论
根据前面的实验结果18),分布式直接检测温度传感系统是基于这样的事实,只有背散射SpBS组件环境温度很敏感,而背散射RS组件是对周围环境的温度,通常作为一个参考。因此,没有必要获得绝对强度比(瑞利/(斯托克斯+ anti-Stokes))来计算温度信息传感砰的一声。此外,它是不容易获取斯托克斯和anti-Stokes组件,并同时提出了滤波器方法。因此,RASR方法解调环境温度信息沿着砰的一声,这是一个优秀的候选人的绝对强度比率测量。很明显,与传统SpBS信号的测量方法相比,该方法更方便,只需要一个单一anti-Stokes信号的监测。结果,绝对的环境温度信息的相对变化的比率RASR可以由以下方程: 在哪里代表Brillouin-based分布式温度传感器的温度敏感性,0.3% /°C一样常见。这意味着绝对的环境温度信息的相对变化的比率RASR满足线性关系系数0.3% /°C。和是RS和anti-Stokes信号的强度比未知的环境温度和环境温度,分别。和代表参考温度(即价值。,the FUT at known ambient temperature) and the unknown temperature value, respectively.
很明显,该方法可用于监测环境温度变化沿着砰的链接。然而,如果测量anti-Stokes权力包括残余RS组件层叠滤波器后,一个重要的温度误差发生在执行RASR测量。衰减率被定义为布里渊anti-Stokes功率之比( )剩余的RS ( )。它可以描述如下:
演示实际温度之间的差异值和标称温度(即价值。,temperature information measurement error) under different levels of Rayleigh noise, a simulation is implemented. In simulation, we choose the在室温(20°C)作为参考。图1强调了不同的RR值下的仿真结果。从图可以看出1环境温度的测量误差残留RS的增加而增加。当废品率超过20 dB,剩余RS力量的影响温度测量误差可以忽略不计,和测量误差是0.43°C和0.14°C 70°C,分别。值得注意的是,RR达到25 dB是非常困难的,这是根据有限级联光纤光栅滤波器的性能。此外,不仅将RS信号恶化的力量温度测量精度,而且背散射的相干噪声RS窄带宽的激光源将导致温度测量误差(25]。因此,实际的测量误差将大于理论的结果。
3所示。实验装置
提出了一个原理图的实验装置图2。一个ultranarrow线宽(∼10 kHz)分布反馈(DFB)激光器作为光源,当SpBS信号测量。标称功率大约15分贝米真空发射中心波长为1549.97 nm。连续波激光的输出源的探测脉冲级联电光调制器(即。,the combination of EOM1 and EOM2) with a 55 dB high extinction ratio (ER), which is driven by an arbitrary function generator (AFG). Two polarization controllers (PC1 and PC2) are employed just before the EOM1 and EOM2 module to realize the shaped output probe light pulse with good performance, respectively. Then, the modulated probe pulse is launched into a polarization scrambler (PS) to mitigate the polarization-reduced noise problem and directed into the other end of the sensing FUT (YOFC, HT1510-B) through a circulator (CIR). The backscattered sensing information is obtained in the same access. A cascading FBG filter, which consists of a common FBG1 filter (3 dB bandwidth of about 0.24 nm) and a thermally adjustable narrowband FBG2 filter with 3 dB bandwidth of ∼40pm (AOS Gmbh, 18062083), in conjunction with the second optical switch (OS2) is employed to pick out the anti-Stokes component against the strong backscattered RS signal. Finally, the sensing signal of the backscattered SpBS is captured by an SPD (Qasky, WT-SPD300-ULN) and a TCSPC (PicoQuant, PicoHarp300) for follow-up data processing to retrieve the temperature information. When performing the so-called strong backscattered RS component measurement, an amplified spontaneous emission (ASE) light source with the maximum output power of 16.9 dB m is used instead of the DFB laser source to suppress the fluctuation of captured backscattered RS caused by coherent fading noise. The received wideband backscattered RS is coupled into the variable optical attenuator (VOA) via the second channel of the OS2 in order to avoid saturating the SPD. It should be noted that the captured sensing signal coupled into the VOA includes not only the backscattered RS signal but also the backscattered Stokes and anti-Stokes Brillouin signal. But the weight of SpBS compared with that of backscattered RS signal is negligible, so it has little effect on the following calculation of the intensity ratio of the Rayleigh signal and the anti-Stokes signal. At last, the measured backscattering Rayleigh photon counts ( )和布里渊anti-Stokes光子计数( )直方图分布得到TCSPC,分别和环境温度跟踪可以绘制 。
4所示。实验结果和讨论
实验,证明级联光纤光栅滤波器的滤波性能,我们首先分析的光谱特征热可调窄带FBG2过滤和输出滤波器的波长之间的线性关系和输入拨号价值。通过使用ASE光源和光学频谱分析仪(阻塞性睡眠呼吸暂停综合症:横河,AQ6370D),成功地获得了相应的实验结果,分别绘制在图3和4。
作为显示在图3,热可调窄带FBG2过滤器的过滤性能是稳定的。输出滤波器的波长改变时拨号值改变,并移动到更大的波长作为拨号值增加。图4强调了输出滤波器的波长,策划和输入拨号的价值。与此同时,使用最小二乘法拟合的线性回归以证明线性关系。可以看出,输出滤波器的波长随输入拨号价值增加,和实验结果有很好的一致性的线性拟合的结果。
随后,进行了一个实验来确定级联光纤光栅滤波器的功能,一个纯粹的反散射布里渊anti-Stokes组件可以实现传感砰的一声。是用来介绍瑞利分布反馈激光器来源和自发的布里渊信号。没有级联光纤光栅的光谱监测和过滤描绘在图5通过对阻塞性睡眠呼吸暂停综合症。正如所料,布里渊anti-Stokes信号提取从反向散射光RS RR不少于21 dB时利用该滤波器的方法。因此,RS在anti-Stokes噪音信号的影响可以忽略不计。
此外,充分展示介绍了BOTDR DTS传感器的优点,进行了温度测量的方法是将一段砰的一声变成热保温炉模拟环境温度的变化。我们进行两种类型的实验。第一种实验侧重于远距离测量的温度信息。第二个特别强调了可实现的空间分辨率。远程温度测量,1公里段(第三部分)34公里标准SMF放入烤箱热绝缘,这是位于第二部分之间的位置(约31公里)和第四部分(约1公里),和温度保持在50°C。连续波探测光调制形成1μ对应于100年代脉搏,空间分辨率,和重复率是1 kHz,取决于监测光纤的长度。为了提高动态范围,5 ns门宽度和5μ年代死亡时间与检测应用于社会民主党10%的效率。与此同时,TCSPC记录之间的飞行时间延误事件的直方图anti-Stokes光子的探测光和探测社民党262纳秒时间本宽度。捕获的数据转换成标准的光子计数OTDR)使用测量痕迹和 。另外,特别值得一提的是,测量环境温度不敏感,可以监控之前真正的传感实验。因此,在实际应用中,只有需要测量。
图6说明了背散射信号功率和感应范围之间的关系。红色实线表示RS组件和蓝色实线代表SpBS信号。实验数据的线性拟合结果表明,34公里传感光纤的衰减系数为0.168 dB /公里,这是在良好的协议与名义损失值为0.18 dB /公里。很明显的反散射功率加热区是杰出的。通过计算噪声值远离后砰的一声,拟议的BOTDR DTS系统的最大动态范围约为20 dB,对应于一个温度测量的距离约120公里。根据测量的统计分布直方图RS和anti-Stokes光子,通过RASR算法计算温度信息和距离是绘制在图7。它因此可以观察到参考之间的温差室温(20°C)30.45和真正的测量温度27.62是30.96°C的使用该方法。显然,测量环境温度(50.96°C)与实际环境温度和在协议提出了0.96°C的温度误差。值得注意的是RASR值可以获得这种波动的背景下砰的一声,由五个连续测量的平均结果。
在空间分辨率的实验中,除了本TCSPC宽度(2 ns),其他参数的社民党符合第一种实验。随着探测脉冲的光谱谱线宽度与SpBS线宽,一个预计布里渊放大系数的减少。自发的布里渊线宽与声学声子寿命直接相关(通常不超过10 ns)砰的一声。因此,光学探测脉冲宽度控制的层叠加工是10 ns,对应于1米空间分辨率,SpBS的充分利用。砰的一声测量由4个相等的五卷的SMF长度约1公里和200米。砰的第二和第四部分测量被放置在一个热绝缘烤箱的温度和维护55°C和温度50°C,分别。图8强调了实验结果的测量温度传感长度的函数值。我们可以发现房间部分(20°C)的变化和砰的加热部分36.24°C测量温度误差为1.24°C和31.41°C测量温度误差为1.41°C,分别。此外,如图9,1.2米的空间分辨率展示了4.2公里的砰的一声,这是略大于1 m的理论空间分辨率由于数量的波动和扩大脉冲的色散砰的一声。当然,数量的波动可以有效地改善通过增加的平均时间。
5。结论
在这项工作中,我们演示直接检测Brillouin-based分布式温度系统基于光子计数探测器。测量温度的能力和大动态范围和高空间分辨率实验详细调查。20 dB的动态范围,对应的传感长度120公里,成功地提出了测量温度误差为0.96°C。与此同时,提出了光子计数传感系统还展览空间分辨率为1.2 m和1.24°C的温度测量误差在4.2公里的传感范围。Brillouin-based分布式温度传感器的性能可能会进一步提高通过增加事件探测光功率没有激动人心的其他非线性效应和缩短注入脉冲宽度。
数据可用性
数据用于支持本研究的发现没有提供,因为集团是保密单位和实验数据主要用于相关仪器的发展。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
作者欣然承认提供的金融支持科技在电子测试与测量实验室基础上(赠款41 q1313-5 KDW03012003),泰山系列人才项目(批准2017 tscycx-05),以及中国的国家自然科学基金(批准61901426)。