Odborné znalosti

Aplikace vláknového náhodného laseru v distribuovaném snímání

2021-11-29
Ve srovnání s technologií diskrétního zesílení optických vláken,Distribuovaná Ramanova amplifikaceTechnologie (DRA) ukázala zjevné výhody v mnoha aspektech, jako je šumové číslo, nelineární poškození, zesílení šířky pásma atd., a získala výhody v oblasti komunikace a snímání optických vláken. široce používaný. High-order DRA může dosáhnout zisku hluboko ve spoji, aby bylo dosaženo téměř bezeztrátového optického přenosu (to znamená nejlepšího vyvážení poměru optického signálu k šumu a nelineárního poškození) a výrazně zlepšit celkovou rovnováhu přenosu optických vláken/ snímání. Ve srovnání s konvenčními high-end DRA DRA založená na ultradlouhém vláknovém laseru zjednodušuje strukturu systému a má výhodu ve výrobě svorek se ziskem, což ukazuje silný aplikační potenciál. Tato metoda zesílení však stále naráží na překážky, které omezují její použití na přenos/snímání optických vláken na dlouhé vzdálenosti, jako je přenos šumu relativní intenzity detekce pumpy a je třeba zlepšit poměr optického signálu k šumu.

V roce 2013 byla navržena a experimentálně ověřena nová koncepce DRA založená na špičkovém čerpadle DFB-RFL. Díky jedinečné polootevřené dutinové struktuře DFB-RFL se jeho zpětnovazební mechanismus spoléhá pouze na Rayleighův rozptyl náhodně distribuovaný ve vláknu. Spektrální struktura a výstupní výkon vyrobeného náhodného laseru vysokého řádu vykazují vynikající teplotní necitlivost, takže špičkový DFB-RFL může tvořit velmi stabilní nízkošumový plně distribuovaný zdroj čerpadla. Experiment zobrazený na obrázku 13(a) ověřuje koncept distribuovaného Ramanova zesílení založeného na DFB-RFL vysokého řádu a obrázek 13(b) ukazuje rozložení zisku v transparentním stavu přenosu při různých výkonech čerpadla. Z porovnání je vidět, že obousměrné čerpání druhého řádu je nejlepší, s plochostí zisku 2,5 dB, následované zpětným náhodným laserovým čerpáním druhého řádu (3,8 dB), zatímco dopředné náhodné laserové čerpání se blíží prvnímu řádu. obousměrné čerpání Při 5,5 dB a 4,9 dB je zpětný čerpací výkon DFB-RFL nižší průměrný zisk a kolísání zisku. Současně je efektivní hodnota hluku dopředného čerpadla DFB-RFL v průhledném přenosovém okně v tomto experimentu o 2,3 dB nižší než u obousměrného čerpadla prvního řádu a o 1,3 dB nižší než u obousměrného čerpadla druhého řádu. . Ve srovnání s konvenčním DRA má toto řešení zjevné komplexní výhody v potlačení přenosu hluku relativní intenzity a realizaci vyváženého přenosu/snímání v celém rozsahu a náhodný laser je necitlivý na teplotu a má dobrou stabilitu. Proto může být DRA založená na špičkovém DFB-RFL Poskytuje nízkošumové a stabilní distribuované vyvážené zesílení pro přenos/snímání optickým vláknem na dlouhé vzdálenosti a má potenciál realizovat bezreléový přenos a snímání na velmi dlouhé vzdálenosti. .


Distributed Fiber Sensing (DFS), jako důležité odvětví v oblasti technologie snímání optických vláken, má následující vynikající výhody: Samotné optické vlákno je senzor, který integruje snímání a přenos; může nepřetržitě snímat teplotu každého bodu na trase optického vlákna. Prostorové rozložení a měnit informace o fyzikálních parametrech, jako je napětí atd.; jediné optické vlákno může získat až stovky tisíc bodů senzorových informací, které mohou tvořit v současnosti nejdelší vzdálenost a největší kapacitu senzorové sítě. Technologie DFS má široké uplatnění v oblasti monitorování bezpečnosti hlavních zařízení souvisejících s národním hospodářstvím a obživou lidí, jako jsou kabely pro přenos energie, ropovody a plynovody, vysokorychlostní železnice, mosty a tunely. Aby však bylo možné realizovat DFS s velkou vzdáleností, vysokým prostorovým rozlišením a přesností měření, stále existují problémy, jako jsou rozsáhlé oblasti s nízkou přesností způsobené ztrátou vlákna, spektrální rozšíření způsobené nelinearitou a systémové chyby způsobené nelokalizací.
Technologie DRA založená na špičkovém DFB-RFL má jedinečné vlastnosti, jako je plochý zisk, nízký šum a dobrá stabilita, a může hrát důležitou roli v aplikacích DFS. Nejprve se aplikuje na BOTDA pro měření teploty nebo napětí aplikovaného na optické vlákno. Experimentální zařízení je znázorněno na obrázku 14(a), kde je použita hybridní čerpací metoda náhodného laseru druhého řádu a nízkošumového LD prvního řádu. Experimentální výsledky ukazují, že systém BOTDA o délce 154,4 km má prostorové rozlišení 5 ma přesnost teploty ±1,4 ℃, jak ukazuje obrázek 14(b) a (c). Kromě toho byla použita špičková technologie DFB-RFL DRA ke zvýšení snímací vzdálenosti fázově citlivého optického reflektometru v časové doméně (Φ-OTDR) pro detekci vibrací/rušení, čímž bylo dosaženo rekordní snímací vzdálenosti 175 km 25 m prostorové rozlišení. V roce 2019, prostřednictvím smíchání dopředného RFLA druhého řádu a zpětného vláknového náhodného laserového zesílení třetího řádu, FU Y a kol. prodloužil dosah snímání bezrepeaktorového BOTDA na 175 km. Pokud víme, tento systém byl zatím hlášen. Nejdelší vzdálenost a nejvyšší kvalitativní faktor (Figure of Merit, FoM) BOTDA bez opakovače. Je to poprvé, co bylo na distribuovaný systém snímání optických vláken aplikováno náhodné laserové zesílení vláken třetího řádu. Realizace tohoto systému potvrzuje, že vláknové náhodné laserové zesílení vyššího řádu může poskytnout vysoké a ploché rozložení zisku a má tolerovatelnou hladinu hluku.