Anwendung von Faser-Zufallslasern in der verteilten Erfassung

Im Jahr 2013 wurde ein neues DRA-Konzept auf Basis einer High-End-DFB-RFL-Pumpe vorgeschlagen und durch Experimente verifiziert. Aufgrund der einzigartigen halboffenen Hohlraumstruktur von DFB-RFL beruht sein Rückkopplungsmechanismus nur auf der zufällig in der Faser verteilten Rayleigh-Streuung. Die spektrale Struktur und Ausgangsleistung des erzeugten Zufallslasers höherer Ordnung weisen eine ausgezeichnete Temperaturunempfindlichkeit auf, sodass High-End-DFB-RFL eine sehr stabile, rauscharme, vollständig verteilte Pumpquelle bilden kann. Das in Abbildung 13(a) gezeigte Experiment verifiziert das Konzept der verteilten Raman-Verstärkung basierend auf dem DFB-RFL höherer Ordnung, und Abbildung 13(b) zeigt die Verstärkungsverteilung im transparenten Übertragungszustand bei verschiedenen Pumpleistungen. Aus dem Vergleich geht hervor, dass bidirektionales Pumpen zweiter Ordnung mit einer Verstärkungsflachheit von 2,5 dB am besten ist, gefolgt von zufälligem Laserpumpen zweiter Ordnung in Rückwärtsrichtung (3,8 dB), während zufälliges Laserpumpen in Vorwärtsrichtung nahe an der ersten Ordnung liegt bidirektionales Pumpen Bei 5,5 dB bzw. 4,9 dB weist die Rückwärts-DFB-RFL-Pumpleistung eine geringere durchschnittliche Verstärkung und Verstärkungsschwankung auf. Gleichzeitig ist die effektive Rauschzahl der Vorwärts-DFB-RFL-Pumpe im transparenten Übertragungsfenster in diesem Experiment 2,3 dB niedriger als die der bidirektionalen Pumpe erster Ordnung und 1,3 dB niedriger als die der bidirektionalen Pumpe zweiter Ordnung . Im Vergleich zum herkömmlichen DRA bietet diese Lösung offensichtlich umfassende Vorteile bei der Unterdrückung der relativen Intensitätsrauschübertragung und der Realisierung einer ausgewogenen Übertragung/Erfassung im gesamten Bereich. Darüber hinaus ist der Zufallslaser temperaturunempfindlich und weist eine gute Stabilität auf. Daher kann DRA auf Basis von High-End-DFB-RFL eine rauscharme und stabile verteilte symmetrische Verstärkung für die Übertragung/Erfassung über Glasfaserkabel über große Entfernungen bieten und hat das Potenzial, eine Übertragung und Erfassung über große Entfernungen ohne Relais zu realisieren .

Distributed Fiber Sensing (DFS) als wichtiger Zweig im Bereich der optischen Fasersensorik bietet folgende herausragende Vorteile: Die optische Faser selbst ist ein Sensor, der Sensorik und Übertragung integriert; Es kann kontinuierlich die Temperatur jedes Punktes auf dem Lichtwellenleiterpfad erfassen. Die räumliche Verteilung und Änderungsinformationen physikalischer Parameter wie Dehnung usw.; Eine einzelne optische Faser kann bis zu Hunderttausende Punkte an Sensorinformationen erhalten, was derzeit das größte Sensornetzwerk mit der größten Entfernung und Kapazität bilden kann. Die DFS-Technologie hat breite Anwendungsaussichten im Bereich der Sicherheitsüberwachung wichtiger Einrichtungen, die für die Volkswirtschaft und den Lebensunterhalt der Menschen relevant sind, wie z. B. Stromübertragungskabel, Öl- und Gaspipelines, Hochgeschwindigkeitsbahnen, Brücken und Tunnel. Um DFS über große Entfernungen, hohe räumliche Auflösung und Messgenauigkeit zu realisieren, gibt es jedoch immer noch Herausforderungen wie großräumige Bereiche mit geringer Präzision, die durch Faserverlust verursacht werden, spektrale Verbreiterung durch Nichtlinearität und Systemfehler durch Nichtlokalisierung.
Die auf High-End-DFB-RFL basierende DRA-Technologie verfügt über einzigartige Eigenschaften wie flache Verstärkung, geringes Rauschen und gute Stabilität und kann in DFS-Anwendungen eine wichtige Rolle spielen. Zunächst wird es auf BOTDA angewendet, um die auf die optische Faser ausgeübte Temperatur oder Spannung zu messen. Das experimentelle Gerät ist in Abbildung 14(a) dargestellt, wo eine hybride Pumpmethode aus einem Zufallslaser zweiter Ordnung und einem rauscharmen LD erster Ordnung verwendet wird. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass das BOTDA-System mit einer Länge von 154,4 km eine räumliche Auflösung von 5 m und eine Temperaturgenauigkeit von ±1,4 ℃ aufweist, wie in Abbildung 14(b) und (c) dargestellt. Darüber hinaus wurde die High-End-DFB-RFL-DRA-Technologie eingesetzt, um den Erfassungsabstand eines phasenempfindlichen optischen Zeitbereichsreflektometers (Φ-OTDR) zur Vibrations-/Störungserkennung zu erhöhen und so einen Rekorderfassungsabstand von 175 km 25 m im Raum zu erreichen Auflösung. Im Jahr 2019 haben FU Y et al. erweiterte die Erfassungsreichweite des BOTDA ohne Repeater auf 175 km. Soweit uns bekannt ist, wurde über dieses System bisher berichtet. Die längste Distanz und der höchste Qualitätsfaktor (Figure of Merit, FoM) von BOTDA ohne Repeater. Dies ist das erste Mal, dass die Faserzufallslaserverstärkung dritter Ordnung auf ein verteiltes optisches Fasersensorsystem angewendet wird. Die Realisierung dieses Systems bestätigt, dass die Faserzufallslaserverstärkung hoher Ordnung eine hohe und flache Verstärkungsverteilung liefern kann und einen tolerierbaren Rauschpegel aufweist.