Anwendung des Faserzufallslasers in der verteilten Sensorik

Im Jahr 2013 wurde ein neues Konzept von DRA basierend auf der High-End-DFB-RFL-Pumpe vorgeschlagen und durch Experimente verifiziert. Aufgrund der einzigartigen halboffenen Resonatorstruktur 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, so dass High-End-DFB-RFL eine sehr stabile, rauscharme, vollständig verteilte Pumpquelle bilden kann. Das in Fig. 13(a) gezeigte Experiment verifiziert das Konzept der verteilten Raman-Verstärkung basierend auf dem DFB-RFL höherer Ordnung, und Fig. 13(b) zeigt die Verstärkungsverteilung im transparenten Übertragungszustand bei unterschiedlichen Pumpleistungen. Aus dem Vergleich ist ersichtlich, dass das bidirektionale Pumpen zweiter Ordnung mit einer Verstärkungsflachheit von 2,5 dB am besten ist, gefolgt von einem rückwärtigen zufälligen Laserpumpen zweiter Ordnung (3,8 dB), während das vorwärts gerichtete zufällige Laserpumpen nahe der ersten Ordnung liegt bidirektionales Pumpen Bei 5,5 dB bzw. 4,9 dB ist die rückwärts gerichtete DFB-RFL-Pumpleistung eine geringere durchschnittliche Verstärkung und Verstärkungsschwankung. Gleichzeitig ist die effektive Rauschzahl der Vorwärts-DFB-RFL-Pumpe im transparenten Transmissionsfenster 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 . Verglichen mit dem herkömmlichen DRA hat diese Lösung offensichtliche umfassende Vorteile bei der Unterdrückung der Rauschübertragung relativer Intensität und der Realisierung einer ausgeglichenen Übertragung/Erfassung über den gesamten Bereich, und der Zufallslaser ist temperaturunempfindlich und weist eine gute Stabilität auf. Daher kann DRA basierend auf High-End-DFB-RFL Es bietet eine rauscharme und stabile verteilte symmetrische Verstärkung für die Übertragung/Erfassung von Glasfasern über große Entfernungen und hat das Potenzial, eine relaislose Übertragung und Erfassung über sehr große Entfernungen zu realisieren .

Distributed Fiber Sensing (DFS) als wichtiger Zweig im Bereich der Lichtwellenleiter-Sensorik hat folgende herausragende Vorteile: Der Lichtwellenleiter 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 von physikalischen Parametern wie Dehnung usw.; Eine einzelne Glasfaser kann bis zu Hunderttausende von Sensorinformationen erhalten, die derzeit das Sensornetzwerk mit der längsten Distanz und der größten Kapazität bilden können. Die DFS-Technologie hat breite Anwendungsperspektiven im Bereich der Sicherheitsüberwachung von großen volkswirtschaftlichen und lebensnotwendigen Anlagen wie Stromkabeln, Öl- und Gaspipelines, Hochgeschwindigkeitsbahnen, Brücken und Tunneln. Um DFS mit großer Distanz, hoher räumlicher Auflösung und Messgenauigkeit zu realisieren, gibt es jedoch noch Herausforderungen wie großflächige Bereiche mit geringer Genauigkeit, die durch Faserverluste verursacht werden, spektrale Verbreiterung durch Nichtlinearität und Systemfehler durch Nichtlokalisierung.
Die auf High-End-DFB-RFL basierende DRA-Technologie weist einzigartige Eigenschaften wie Flat Gain, geringes Rauschen und gute Stabilität auf und kann in DFS-Anwendungen eine wichtige Rolle spielen. Zuerst wird es an BOTDA angelegt, um die Temperatur oder Dehnung zu messen, die auf die optische Faser ausgeübt wird. Die experimentelle Vorrichtung ist in 14(a) gezeigt, in der ein hybrides Pumpverfahren aus einem Zufallslaser zweiter Ordnung und einer 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 ℃ hat, wie in Abbildung 14(b) und (c) gezeigt. Darüber hinaus wurde die High-End-DFB-RFL DRA-Technologie verwendet, um den Erfassungsabstand eines phasenempfindlichen optischen Zeitbereichsreflektometers (Φ-OTDR) zur Vibrations-/Störungserkennung zu erhöhen und einen Rekord-Erfassungsabstand von 175 km 25 m . zu erreichen räumliche Auflösung. Im Jahr 2019 haben FU Y et al. erweiterte die Reichweite der Repeater-losen BOTDA auf 175 km. Soweit uns bekannt ist, wurde dieses System bisher gemeldet. Die längste Distanz und der höchste Qualitätsfaktor (Figure of Merit, FoM) von BOTDA ohne Repeater. Dies ist das erste Mal, dass eine zufällige Faserlaserverstärkung dritter Ordnung auf ein verteiltes optisches Fasersensorsystem angewendet wurde. Die Realisierung dieses Systems bestätigt, dass eine Faserzufallslaserverstärkung höherer Ordnung eine hohe und flache Verstärkungsverteilung bereitstellen kann und einen tolerierbaren Rauschpegel aufweist.