Die Aktualität und Genauigkeit der Erkennungstechnologie steht in direktem Zusammenhang mit der Sicherheit von Leben und Eigentum von Menschen. Bei der Anwendung dieser Technologie ist die Temperatur eine physikalische Größe, auf die man sich konzentrieren muss. Im Vergleich zu anderen Temperaturmesstechnologien bieten Raman-Sensoren mit verteilten optischen Fasern die Vorteile von Korrosionsbeständigkeit, starker Beständigkeit gegen elektromagnetische Störungen, geringer Systemgröße, geringem Wartungsaufwand und geringen Kosten. Daher werden sie häufig bei der Erkennung von Pipeline-Lecks und hoher Felskabelüberlastung eingesetzt Erkennung, Lagerfeuererkennung und andere Situationen.
Die Raman-verteilte optische Fasererfassung basiert hauptsächlich auf dem Raman-Streuungseffekt in optischen Fasern sowie optischen Zeitbereichsreflexionstechniken, um eine vollständig verteilte Erfassung entlang der optischen Faserverteilung zu erreichen. Die Ortsauflösung als wichtiger Index dieses Systems spiegelt die minimale Faserlänge wider, die das Sensorsystem bei der Messung des Temperaturfeldes auflösen kann.
Die räumliche Auflösung bestehender Raman-Sensorsysteme mit verteilten optischen Fasern auf Kilometerebene ist auf die Meterebene beschränkt, während einige Anwendungen von Energieanlagen die Realisierung einer räumlichen Auflösung im Dezimeterbereich erfordern und daher in einigen besonderen Fällen die Anwendung verteilter optischer Fasersensoren erforderlich ist stark eingeschränkt.
Um dieses Problem zu lösen, schlug das Team von Jian Li und Mingjiang Zhang von der Taiyuan University of Technology eine Raman-verteilte Glasfaser-Sensortechnik mit hoher räumlicher Auflösung vor, die auf der chaotischen Korrelationsmethode basiert. Die Forschung ist veröffentlicht im Tagebuch Licht: Wissenschaft und Anwendungen.
In dieser Arbeit schlägt das Team ein neues Schema vor, das chaotische Differentialrekonstruktion und chaotische quadratische Korrelationsalgorithmen verwendet, um den Erfassungsabstand und die räumliche Auflösung chaotischer Raman-verteilter optischer Fasererfassungssysteme zu untersuchen. Als Lichtquelle wird ein chaotischer Laser verwendet und seine Autokorrelationseigenschaft wird genutzt, um den Einfluss der chaotischen Pulsbreite der Lichtquelle auf die räumliche Auflösung des Systems zu eliminieren.
Das schwache Erkennungssignal wird durch den quadratischen Korrelationsalgorithmus und die Ableitungsanalyse verbessert, wodurch das Problem gelöst wird, dass das Signal-Rausch-Verhältnis des Signals und die räumliche Auflösung des Systems im herkömmlichen Schema nicht in Einklang gebracht werden können.
In dem Artikel wird ein neues chaotisches Raman-verteiltes optisches Fasererfassungsschema vorgeschlagen, bei dem ein chaotischer Laser als neue Art von Erfassungslichtquelle, die Raman-Rückwärtsstreueigenschaften von kontinuierlichen und gepulsten chaotischen Lasern in der Erfassungsfaser und das Modulationsprinzip von FUT verwendet werden Die chaotischen Raman-Streusignale werden untersucht, das grundlegende mathematische Modell für die Experimente des chaotischen ROTDR-Systems bereitgestellt und die theoretische Grundlage für den Durchbruch der Einschränkungen der räumlichen Auflösung durch die Pulsbreite der Differentialrekonstruktion und des Einmalkorrelationsalgorithmus von geschaffen Die chaotischen Raman-Rückwärtsstreusignale werden gezielt analysiert.
Um das Problem zu lösen, dass die experimentellen Ergebnisse stark durch Rauschen beeinflusst werden, wird in der Arbeit ein quadratischer Korrelationsalgorithmus vorgeschlagen, der den chaotischen Zeitbereichskomprimierungs- und Demodulationsmechanismus zwischen den Temperaturänderungsinformationen und den chaotischen Korrelationsspitzen weiter demonstriert legt die Ausbreitungsgleichungen für die differenzielle Rekonstruktion chaotischer Raman-Rückstreusignale und quadratischer Korrelation fest.
Schließlich baute das Team eine chaotische ROTDR-Versuchsplattform auf, die auf dem Prinzip der chaotischen ROTDR-Systemtemperaturmessung basiert. Die Auswirkungen der chaotischen Pulsbreite, der Spektralform, der chaotischen Bandbreite, der Anzahl chaotischer Subpulse, der Amplitudenwahrscheinlichkeitsverteilung, der eingehenden Leistung und der Systemverzögerung auf den Erfassungsabstand und die räumliche Auflösung des chaotischen ROTDR-Systems wurden aus theoretischen und experimentellen Perspektiven untersucht.
Die Experimente wurden durchgeführt, um sicherzustellen, dass die oben genannten Einflussfaktoren im optimalen Zustand sind, und die erhaltenen experimentellen Ergebnisse können die Position des Temperaturänderungssignals genau lokalisieren. Schließlich wird bei einer Erfassungsentfernung von 1,5 km eine Ortsauflösung von 10 cm erreicht.
Es wurde experimentell gezeigt, dass das chaotische ROTDR-System in der Lage ist, die Unterdrückung der räumlichen Auflösung durch die Impulsbreite zu durchbrechen, und schließlich eine räumliche Auflösung in der Größenordnung von Zentimetern mit einer Impulsbreite von 50 ns erreichte. Innerhalb der Grenzen der bestehenden räumlichen Auflösungstheorie ist die räumliche Auflösung dieses Schemas um den Faktor 50 gegenüber dem herkömmlichen Schema verbessert.
Die auf der chaotischen Korrelationsmethode basierende Raman-Sensortechnologie für verteilte optische Fasern optimiert die räumliche Auflösungsleistung herkömmlicher Sensoren, erweitert die Anwendungsszenarien von Raman-verteilten optischen Fasersensoren und bietet in einigen Fällen, in denen eine hohe räumliche Auflösung erforderlich ist, ein großes Anwendungspotenzial, was ein neues Potenzial bietet Forschungsrichtung für optisches Chaos und optische Fasersensorik.
Mehr Informationen:
Chenyi Wang et al., Chaos Raman verteilte optische Fasersensorik, Licht: Wissenschaft und Anwendungen (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01267-3