基于特种光纤布里渊散射效应的分布式传感技术研究

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1、博士学位论文基于特种光纤布里渊散射效应的分布式传感技术研究DISTRIBUTEDOPTICALFIBERSENSINGBASEDONSTIMULATEDBRILLOUINSCATTERINGINSPECIALOPTICALFIBERS徐鹏柏哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：O437.2学校代码：10213国际图书分类号：535密级：公开工学博士学位论文基于特种光纤布里渊散射效应的分布式传感技术研究博士研究生：徐鹏柏导师：董永康研究员申请学位：工学博士学科：物理电子学所在单位：航天学院答辩日期：2018年6月

2、授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:O437.2U.D.C.:535DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringDISTRIBUTEDOPTICALFIBERSENSINGBASEDONSTIMULATEDBRILLOUINSCATTERINGINSPECIALOPTICALFIBERSCandidate：PengbaiXuSupervisor：Prof.YongkangDongAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEn

3、gineeringSpeciality：PhysicalElectronicsAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要自从1989年T.Horiguchi提出布里渊光时域分析（Brillouinopticaltime-domainanalysis，BOTDA）技术以来，BOTDA一直是结构健康监测领域的研究热点。目前BOTDA技

4、术的发展依赖于在石英单模光纤中使用新型光波调制技术，这使得其应用范围受限于石英单模光纤的性能。针对这一问题，本文从传感器角度出发，研究BOTDA在特殊光纤中的应用问题，提出一些创新的解决方案，并进行了理论和实验研究。本论文从受激布里渊散射（StimulatedBrillouinscattering，SBS）耦合波方程出发，对多模光纤中SBS进行理论研究。数值计算了折射率渐变多模光纤中光波场和声波场分布，研究模内SBS和模间SBS。当泵浦光和探测光均为基模时，布里渊增益谱可以较好的保持；随着高阶光波模式的引入，各个声波

5、模式的布里渊增益系数将重新分配，高阶声波获得较高的增益系数，导致多模光纤布里渊增益谱展宽，甚至发生畸变。针对标准单模光纤应变范围有限的问题，研究如何在聚合物光纤中实现BOTDA技术。使用窄带π相移光纤光栅滤波器提取Stokes光，抑制Anti-Stokes光和泵浦脉冲的端面反射光；使用多模光纤耦合技术降低泵浦光到达聚合物光纤表面的功率密度，避免聚合物光纤端面被烧坏。通过对比聚合物光纤和石英多模光纤的布里渊频移和光斑，证明聚合物光纤存在很强的模式耦合，将会造成传感误差。针对标准单模光纤弯曲损耗大的问题，使用单模-多模-

6、单模光纤结构实现弯曲不敏感光纤传感，其最小弯曲半径为1.25mm。多模光纤中基模的应变系数和温度系数分别为0.42MHz/με和0.83MHz/°C。同时，验证了多模光纤中的高阶模非常不稳定，易受弯曲影响，只有激发多模光纤中的基模才能实现弯曲不敏感的分布式光纤传感。针对标准单模光纤温度测量范围有限的问题，使用光子晶体光纤测量1200℃高温。高温退火1次后，光子晶体光纤的布里渊频移随温度呈抛物线函数增加，测量精度为±3.6°C；200°C以下，光子晶体光纤的温度系数提高了~20.3%；在1000°C以上测量温度时，光纤

7、可以不用退火直接使用。针对标准单模光纤在高温下难以测量应变的问题，使用镀金光纤实现高温分布式应变光纤传感，在700℃高温下有效测量了大于2000με。首先，研究了镀金光纤的高温特性。在1000℃高温下退火2次后，镀金光纤达到稳定状态；与石英单模光纤相同，镀金光纤的布里渊频移随温度非线性增加。其次，研究-I-Abstract了镀金光纤的金涂覆层对应变测量的影响。由于涂覆过程中引入的残余应力，镀金光纤在测量应变前需要预拉伸1次，以消除光纤的残余应力。最后，使用退火和预拉伸后的镀金光纤在700℃温度范围内进行了分布式应变测

8、量。镀金光纤的应变系数随温度的增加而逐渐减小，主要由于二氧化硅的杨氏模量随温度的增加逐渐降低导致的。关键词：受激布里渊散射；布里渊光时域分析；大应变范围；弯曲不敏感；高温应变-II-AbstractAbstractBrillouinopticaltimedomainanalysis(BOTDA)hasalwaysbeentheresearchf