摘 要

布里渊光时域分析技术（BOTDA）是基于受激布里渊散射，通过测量光纤的布里渊频移分布获得光纤沿线任意位置的温度和应变信息，并通过光时域反射技术实现定位。虽然缩短泵浦脉宽可以提高系统的空间分辨率，但是同时获的得高空间分辨率和高检测精度仍然是一个十分困难的问题。其中，光纤材料的声子寿命是空间分辨率进一步提高的极限。为了消除光纤声子寿命的影响，2008 年，韩国中央大学的Kwang Yong Song 首次提出布里渊动态光栅(BDG)的概念。该技术中泵浦和探测光均为脉冲光，并将泵浦光和探测光根据不同的偏振方向分离开，使探测光与两束泵浦光形成的运动光栅依次相互作用，通过控制泵浦光和探测光的脉宽实现高精度测量而不降低空间分辨率。基于受激布里渊散射效应的BDG技术提出后，迅速成为了近年来的研究热点之一。BDG突破了BOTDA系统空间分辨率受限于声子寿命的缺点，且本身具有可迅速重构、不损伤光纤、位置可调等优点，因此在多个领域有着重要的应用。

论文主要研究内容包括：

1. 在学习光纤中的布里渊效应的产生机理、BOTDA系统和BDG系统的工作机制基础上，重点调研并讨论BOTDA和BDG技术的发展近况和优缺点，分析了影响BOTDA和BDG系统受激布里渊散射的主要因素。
2. 推导BDG形成的相位匹配条件和光谱，以及BDG的温度和应变传感模型，分析评价BDG的性能参数指标，比如：阈值、空间分辨率、精度等。
3. 设计并实验搭建了一个中等距离的BOTDA传感系统，，实现了分布式振动的测量。接着，在BOTDA系统的基础上，增加了一路探测光，并且使用保偏光纤来构成BDG系统。利用应变调节光栅反射的中心频率产生可调谐的工作波长，利用这一路产生的光作为探测光入射到搭建好的BOTDA系统中，得到反射光的相关信息。进而可以得到BDG的信息来研究其传感特性和空间分辨率等技术指标。

关键词：布里渊动态光栅；布里渊光时域分析；空间分辨率

Abstract

Brillouin optical time-domain analysis (BOTDA) is based on stimulated brillouin scattering, by measuring the distribution of brillouin frequency shift of the optical fiber to get temperature and strain information at any position along the optical fiber, and through the optical time domain reflection technology to realize positioning.Although shortening the pump pulse width can improve the spatial resolution of the system, it is still a very difficult problem to obtain high spatial resolution and high detection accuracy.Among them, the phonon life of fiber optic material is the limit of further improvement of spatial resolution.In 2008, Kwang Yong Song of the central university of Korea first proposed the concept of brillouin dynamic grating (BDG) in order to eliminate the effect of fiber optic phonon life.Pump and probe light in terms of the technology of pulse light, pump beam and detecting light separated according to the different polarization direction, makes the movement of the two pump beam forming and detecting light grating, in turn, interaction, by controlling the pulse width of the pump and probe light high precision measurement and not reduce the space resolution.BDG broke the BOTDA system spatial resolution is limited by the disadvantage of phonon lifetime, and can be rapidly reconstructed itself has, does not damage the advantages of optical fiber, position is adjustable, therefore has important applications in many fields.

The main research contents are as follows:

(1) the learning mechanism of the brillouin fiber optic effect, BOTDA system and working mechanism of BDG system based on the key research and discuss the BOTDA and BDG technology development status and the advantages and disadvantages, analyses the impact on BOTDA and BDG system is the main factor of stimulated brillouin scattering.

(2) BDG is derived form the phase matching conditions and spectrum, and BDG temperature and strain sensing model, analysis and evaluation of BDG performance parameters, such as: the threshold, the spatial resolution and accuracy.

(3) designed and tested a medium distance BOTDA sensor system, and realized the measurement of distributed vibration.Then, on the basis of the BOTDA system, the detection light is increased, and the BDG system is composed of a polarization-maintaining optical fiber.Using the center frequency of strain adjusting grating reflection wavelength tunable works, using a probe light incident to built BOTDA system, get the information reflected light.Then the information of BDG can be obtained to study its sensing characteristics and spatial resolution.

Key Words：Brillouin dynamic grating；Brillouin optical time domain analyzer；spacial resolution

目 录

第1章 绪论 1

1.1 光纤中的布里渊效应 1

1.2 布里渊光时域分析技术与空间分辨率 2

1.3 布里渊动态光栅技术的研究现状 4

1.4 论文结构及主要工作 5

第2章 布里渊动态光栅的理论基础 7

2.1 布里渊散射的特性 7

2.1.1所用光纤的布里渊增益谱 7

2.1.2 布里渊频移的特性 8

2.1.3 布里渊散射强度的特性 10

2.2 BDG模型及传感原理 12

2.2.1 BDG的形成 13

2.2.2 BDG耦合波方程及解 15

2.2.3 BDG基本特性 17

2.2.4 BDG的传感机理 19

2.2.5 BDG的技术指标与测量特性 21

2.3 本章小结 25

第3章 BDG实验与空间分辨率的研究 26

3.1 BOTDA系统设计与搭建 26

3.1.1 器材选择 27

3.1.2 BOTDA实验 27

3.2 BDG系统设计与搭建 31

3.2.1 BDG实验系统 31

3.2.2 BDG的系统仿真实验结果与空间分辨率 32

3.3 本章小结 35

第4章 总结与展望 36

4.1 总结 36

4.2 展望 36

参考文献 37

致谢 39

第1章 绪论

分布式光纤传感技术利用光纤本身的性质会随外界的环境变化（比如温度、应力等）而产生相应的变化的性质，对其本身参数、光谱等进行测量与检测而实现传感[^[1]]。有着空间范围大，结构简单等优点。其中，基于布里渊散射的分布式传感技术虽然起步是最晚的一个，但是其有着显著的优点：测量范围大，空间分辨率高，测量精度高以及同时对温度和应变敏感[^[2]]。由于这些优点，基于布里渊散射的分布式光纤传感技术被广泛应用于健康监测、地质检测、损伤监测等多个方面。

1.1 光纤中的布里渊效应

当光入射到光纤中时，因为光纤本身的非线性因素以及其他性质，会产生三种不同的散射，分别是瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射。在三者之中，瑞利散射的光频率和入射光的光频相等，而布里渊散射和拉曼散射的频移依次增大，一般情况下，布里渊散射的频移大约为11GHz，拉曼散射的频移为13THz。其中，布里渊散射又分为自发布里渊散射和受激布里渊散射。散射的情况如图1.1所示：