Abstract
We demonstrate an optical time-domain distributed fiber sensor showing the highest spatial resolution ever reported based on Brillouin dynamic grating in a polarization-maintaining fiber. In our scheme, the acoustic gratings containing the information on the local Brillouin frequency are generated by a long pump pulse in one polarization, and read out by a short probe pulse in the orthogonal polarization at a clearly distinct optical frequency from the pump. In the experiment, distributed temperature measurements over a 20 m fiber are performed with 1.2 cm spatial resolution
چکیده
ما یک سنسور فیبر نوری توزیع یافته در دامنه زمانی را ارائه می دهیم که بیشترین رزولوشن مکانی تاکنون گزارش شده بر اساس توزی دینامیکی بریلوئن در یک فیبر نگهدارنده قطبش را نشان می دهد. در طرح ما، توری های آکوستیک شامل اطلاعاتی درباره فرکانس بریلوئن به وسیله یک پالس دمش طولانی در یک قطبش تولید می شوند و توسط یک پالس پروب کوتاه در قطبش متعامد با یک فرکانس اپتیکی کاملا متمایز از دمش خوانده می شوند. در آزمایشات، اندازه گیری دمای توزیع شده در یک فیبر 20 m با رزولوشن مکانی 1.2 cm انجام می شود.
1-مقدمه
پراکندگی بریلوئن در فیبرهای اپتیکی بیش از یکی دو دهه تحقیق شده و حالا به عنوان مکانیزم حسگری مفیدی برای اندازه گیری توزیعی دما یا کشش به شمار می رود. چندین طرح اندازه گیری ایجاد شده است تا دامنه اندازه گیری را بزرگ کرده و رزولوشن مکانی را بهبود دهند یا سرعت اندازه گیری را افزایش دهند. در سنسورهای اپتیکی توزیع زمان – دامنه ی بریلوئن، رزولوشن مکانی با مدت زمان پالس دمش (pump) تعیین می شود. با این همه این مدت عملا محدود به 10 ns است که معادل رزولوشن مکانی 1 m است، چون وسیع کردن طیف دمش که از یک مدت پالس کم ناشی می شود به پهن شدگی طیفی قابل توجهی از طیف بریلوئن به دست آمده می انجامد، از این رو موجب یک عدم قطعیت بیشتر در تعیین فرکانس بریلوئن (νB) می شود. برای پیش دستی به این محدودیت رزولوشن، یکی دو ایده مبتکرانه ارائه شده و بطور تجربی نشان داده شده اند از جمله پیش تولید امواج اکوستیک با دمش موج پیوسته یا پیش پالس، استفاده از یک جفت پهنای پالس دیفرانسیلی و اکوهای بریلوئن. با این همه رزولوشن های مکانی گزارش شده هنوز محدود به 10 cm بودند چون دامنه پاسخ برای بهبود بیشتر کافی نبود.
اخیرا مفهوم جدید توری دینامیک بریلوئن (BDG) با استفاده از یک فیبر نگهدارنده قطبش گزارش شده است (PMF) که در آن امواج آکوستیک تولید شده در طی فرآیند پراکندگی بریلوئن شبیه سازی شده (SBS) با امواج اپتیکی (امواج دمش) در یک قطبش به کار برده شدند تا یک موج قطبیده عمودی (موج پروب) را در یک فرکانس اپتیکی متفاوت از فرکانس اپتیکی دمش بازتاب دهند. این پدیده یک "توری دینامیکی" نامیده می شود چون پارامترهای توری نظیر دوره (pitch) و بازتابندگی توسط امواج دمش بطور کاملا اپتیکی کنترل می شوند. در میان چند گزارش درباره کاربردهای بالقوه BDGs، بررسی امکان پذیری تحلیل زمان – دامنه اپتیکی بریلوئن با رزولوشن بالا (BOTDA) باید صورت گیرد تا رزولوشن مکانی سیستم های معمولی BOTDA ارتقا یابد. در این مقاله، ما یک طرح تجربی بهینه را ارائه می دهیم تا سیستم BOTDA مبتنی بر BDG را بیشتر بهبود دهیم و یک رزولوشن مکانی 1.2 cm را در اندازه گیری توزیعی فرکانس بریلوئن در طول 20 m PMF نشان دهیم. در بهترین حالت این رزولوشن مکانی بهترین نتیجه گزارش شده تاکنون برای سنسورهای بریلوئن دامنه – زمان است و تقریبا مرتبه بزرگی بهتر از رکورد قبلی دارد...