Zastosowanie losowego lasera światłowodowego w wykrywaniu rozproszonym

W 2013 roku zaproponowano i zweryfikowano eksperymentalnie nową koncepcję DRA opartą na wysokiej klasy pompie DFB-RFL. Ze względu na unikalną, półotwartą strukturę wnęki DFB-RFL, jej mechanizm sprzężenia zwrotnego opiera się wyłącznie na rozproszeniu Rayleigha losowo rozmieszczonym we włóknie. Struktura widmowa i moc wyjściowa losowego lasera wysokiego rzędu wykazują doskonałą niewrażliwość na temperaturę, dlatego wysokiej klasy DFB-RFL może stanowić bardzo stabilne, w pełni rozproszone źródło pompy o niskim poziomie hałasu. Eksperyment pokazany na rysunku 13(a) weryfikuje koncepcję rozproszonego wzmocnienia Ramana w oparciu o DFB-RFL wysokiego rzędu, a rysunek 13(b) przedstawia rozkład wzmocnienia w stanie przezroczystej transmisji przy różnych mocach pompy. Z porównania widać, że najlepsze jest dwukierunkowe pompowanie drugiego rzędu, z płaskością wzmocnienia wynoszącą 2,5 dB, po którym następuje losowe pompowanie laserowe drugiego rzędu do tyłu (3,8 dB), podczas gdy losowe pompowanie laserowe do przodu jest bliskie pierwszego rzędu pompowanie dwukierunkowe, odpowiednio Przy 5,5 dB i 4,9 dB, wydajność pompowania wstecznego DFB-RFL jest niższa od średniego wzmocnienia i wahań wzmocnienia. Jednocześnie efektywny współczynnik szumów przedniej pompy DFB-RFL w przezroczystym oknie transmisyjnym w tym eksperymencie jest o 2,3 dB niższy niż dwukierunkowej pompy pierwszego rzędu i o 1,3 dB niższy niż dwukierunkowej pompy drugiego rzędu . W porównaniu z konwencjonalnym DRA, to rozwiązanie ma oczywiste, wszechstronne zalety w tłumieniu przenoszenia hałasu o względnej intensywności i realizowaniu zrównoważonej transmisji/wykrywania w pełnym zakresie, a losowy laser jest niewrażliwy na temperaturę i ma dobrą stabilność. Dlatego też DRA oparty na wysokiej klasy DFB-RFL może być stosowany. Zapewnia niskoszumne i stabilne rozproszone, zbalansowane wzmocnienie dla transmisji/wykrywania światłowodu na duże odległości i ma potencjał do realizacji transmisji i wykrywania na bardzo duże odległości bez użycia przekaźnika .

Distributed Fibre Sensing (DFS), jako ważna gałąź technologii wykrywania światłowodów, ma następujące wyjątkowe zalety: Światłowód sam w sobie jest czujnikiem integrującym wykrywanie i transmisję; może w sposób ciągły mierzyć temperaturę każdego punktu na ścieżce światłowodu. Rozkład przestrzenny i informacje o zmianie parametrów fizycznych, takich jak odkształcenie itp.; pojedynczy włókno światłowodowe może pozyskać do setek tysięcy punktów informacji z czujników, co pozwala na utworzenie obecnie sieci czujników o najdłuższym zasięgu i największej przepustowości. Technologia DFS ma szerokie perspektywy zastosowania w zakresie monitorowania bezpieczeństwa najważniejszych obiektów związanych z gospodarką narodową i życiem ludzi, takich jak kable elektroenergetyczne, rurociągi naftowe i gazowe, koleje dużych prędkości, mosty i tunele. Jednakże, aby zrealizować DFS na duże odległości, wysoką rozdzielczość przestrzenną i dokładność pomiaru, nadal istnieją wyzwania, takie jak wielkoskalowe obszary o niskiej precyzji spowodowane utratą włókien, poszerzenie widma spowodowane nieliniowością i błędy systemu spowodowane brakiem lokalizacji.
Technologia DRA oparta na wysokiej klasy DFB-RFL ma unikalne właściwości, takie jak płaskie wzmocnienie, niski poziom szumów i dobrą stabilność, i może odgrywać ważną rolę w zastosowaniach DFS. Najpierw stosuje się go do BOTDA w celu pomiaru temperatury lub naprężenia przyłożonego do światłowodu. Urządzenie eksperymentalne pokazano na rysunku 14 (a), w którym zastosowano hybrydową metodę pompowania lasera losowego drugiego rzędu i niskoszumnego LD pierwszego rzędu. Wyniki eksperymentów pokazują, że system BOTDA o długości 154,4 km ma rozdzielczość przestrzenną 5 m i dokładność temperaturową ±1,4 ℃, co pokazano na rys. 14 (b) i (c). Ponadto zastosowano zaawansowaną technologię DFB-RFL DRA w celu zwiększenia odległości wykrywania czułego fazowo optycznego reflektometru w dziedzinie czasu (Φ-OTDR) do wykrywania wibracji/zakłóceń, osiągając rekordową odległość wykrywania wynoszącą 175 km w przestrzeni 25 m rezolucja. W 2019 r., poprzez połączenie przedniego RFLA drugiego rzędu i wstecznego losowego lasera światłowodowego trzeciego rzędu, FU Y i in. rozszerzył zasięg wykrywania BOTDA bez wzmacniacza do 175 km. O ile nam wiadomo, system ten był już zgłaszany. Najdłuższy dystans i najwyższy współczynnik jakości (Figure of Merit, FoM) BOTDA bez wzmacniaka. Jest to pierwszy raz, kiedy losowe wzmocnienie lasera światłowodowego trzeciego rzędu zostało zastosowane w rozproszonym systemie wykrywania światłowodowego. Realizacja tego systemu potwierdza, że ​​losowe wzmocnienie lasera światłowodowego wysokiego rzędu może zapewnić wysoki i płaski rozkład wzmocnienia oraz ma akceptowalny poziom szumów.