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中文摘要 光纤传感技术是伴随着光通信技术的发展而逐步形成的。由于光纤传感器具 有传统传感器不可比拟的诸多优点，在问世的三十多年里，得到了广泛的关注与 发展。分布式光纤传感技术是最能体现光纤分布优势的传感测量方法，除了具有 光纤传感器的特点外，它还可以准确地测出光纤沿线任一点上的应力、温度、振 动和损伤等信息，无需构成回路，因此成为了近几年光纤传感器的研究热点。 现在o t d r 和r o t d r 的研究已经日趋完善，而基于布里渊散射的光纤传感 器( b o t d r ) 的研究正在不断深入，由于布里渊散射本身的特性，使基于布里 渊散射的光纤传感器具有广泛的应用范围和巨大的发展空间。 本文首先简要概述了光纤传感的历史背景、发展过程以及不同传感器的分类 比较。指出了分布式光纤传感器的优势和特点。然后详细介绍了基于不同非线性 散射的分布式光纤传感器当前的进展及发展趋势。总结了基于光时域反射的分布 式光纤传感器( o t d r 、b o t d r 、r o t d r ) 的原理、优缺点、应用领域以及在 应用中存在的问题。接下来讨论了石英光纤的布里渊增益特性，为后续的计算工 作奠定理论上的基础。本文建立了一种工程上具有实用价值的基于布里渊散射的 传感系统，充分利用光缆，将传统的b o t d r 和b o t d a 系统结合在一起，既能 克服双端输入在工程上的不便也能以较低的价位得到预期的效果。除此而外，还 对b o t d a 的光耦合过程进行了模拟仿真。通过t e c p l o t 软件画出了耦合图形，并 计算得出了在何种条件下可以得到最好的检测效果。为今后的b o t d a 实用化、 商用化提供了一定的理论依据。 关键词：分布式光纤传感器，光时域反射，受激布里渊散射，b o t d r ，b o t d a a b s t r a c t 1 1 1 ef i b e rs e n s o rt e c h n o l o g yh a sb e e nf o r m i n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h e o p t i c a l c o m m u n i c a t i o n f o rt h ef i b e rs e n s o rh a sm a n ya d v a n t a g e sw h i c hc a l l tb ef o u n di n o r d i n a r ys e n s o r s ， i th a sb e e np a i dg r e a ta t t e n t i o na n dh a v eg o tg r e a td e v e l o p m e n ti n t h ep a s t3 0y e a r s 1 1 1 ed i s t r i b u t e do p t i c a lf i b e rs e n s o rc a nb e s te x p r e s st h ea d v a n t a g e o ft h ef i b e r b e s i d e st h ef e a t u r e so ft h eo r d i n a r yf i b e rs e n s o r s ，i tc a na c c u r a t e l y m e a s u r gt h ef i b e r si n f o r m a t i o no fs t r e s s ，t e m p e r a t u r e ，v i b r a t i o n ，a n dd a m a g e w i t h o u tf o r m i n gal o o p ，t h e r e f o r e ，t h ed i s t r i b u t e df i b e rs e a l s o rh a sb e c o m et h eh o t s p o tt h e s ey e a r s 1 1 1 er e s e a r c h e so nt h eo t d ra n dt h er o t d rh a v eb e e nd o n eal o t ；h o w e v e r ， t h er e s e a r c h e so nb o t d ra r es t i l li np r o p o u n d i n g b e c a u s eo ft h es t r a t e g yo ft h e b r i l l o u i ns c a t t e r ，t h ed i s t r i b u t e df i b e rs e n s o rb a s i n go nt h eb r i l l o u i ns c a t t e rh a sw i d e u s i n ga r e aa n dh l l g ed e v e l o p m e n ts p a c e t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o no ft h ef i b e rs e l l s o r sa n dt h e c o m p a r i s o na m o n gd i f f e r e n tf i b e rs e n s o r s , p o i n t so u tt h es t r a t e g ya n da d v a n t a g e so f d i s t r i b u t e df i b e rs e n s o et h e ni td e t a i l e di n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n tc o n d i t i o na n dt h e t r e n do ft h ef i b e rs e n s o r sb a s i n go nd i f f e r e n tn o n l i n e a rs c a t t e r sa n dg e n e r a l i z e st h e p r i n c i p l e ，m e r i ta n dd e m e r i t ，u s i n ga r e aa n dt h ep r o b l e m si nu s i n g a f t e rt h a t ，w e d i s c u s st h es i l i c af i b e r sb r i l l o u i ns c a t t e ri no r d e rt of o u n dat h e o r yb a s i sf o rt h e f o l l o w i n gw o r k i nt h i sp a p e r ， w ee s t a b l i s has e n s o rs y s t e mw i t l lu s ev a l u e i tm a k e s u s eo f t h ef i b e ro p t i c a lc a b l ea n dc o m b i n e st h eb o t d ra n db o t d a ，i nt h a tc a s e ， w en o to n l yc a ns o l v et h ei n c o n v e n i e n tp r o b l e m ，b u ta l s oc a ng e te x p e c t e dr e s u l ta t l o we x p e n s e e x c e p tt h i s ，w ee m u l a t et h ec o u p l ep r o c e d u r eo ft h eb r i l l o u i ns c a t t e r a n dg i v ep i c t u r e su s i n gt h et e c p l o ts o f t w a r e w ea l s oc a l c u l a t ei nw h i c hc o n d i t i o nw e c a ng e tt h eb e s td e t e c t i o nr e s u l t a l lt h e s ew o r kp r o v i d et h et h e o r ye v i d e n c e sf o rt h e p r a c t i c ea n dc o m m e r c i a lu s i n go f t h eb o t d a k e yw o r d s ：d i s t r i b u t e do p t i c a lf i b e rs e n s o r ， o p t i c a lt i m e d o m a i n r e f l e c t o m e t e r ，b r i l l o u i ns c a t t e r ， b o t d r ， b o t d a 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤壅盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 一张傀玉毯一期：诉，月彤日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘壅蠢茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 导师签名： 减游 签字日期：胤年，月，奎e 1 达 1 互 够 偬蝴 氢 年 餐 “ 懿 勋 作 ： 文 期 学 签 天津大学硕士学位论文 基于布里渊散射的分布式光纤传感器的实用模型及模拟仿真 1 1 光纤传感的概述及发展 第一章序论 光纤与激光、半导体光检测器一样，是一种新兴的光学技术，形成了光电子 学新的领域，是2 0 世纪后半期的重大发明之一。以光纤作为信息传输介质的光 纤通信，自1 9 7 0 年世界上第一根2 0 d b k m 的光纤在美国问世以来，得到了广泛 的重视和发展。短短的十几年就从实验室走向实用化，现在正在形成产业，社会 经济效益与日俱增。 传感器技术是8 0 年代最具代表性的新兴技术之一。目前，传感器已被广泛 应用于国防军工，工、农业生产，环境保护，生物科学，计量测试，交通运输， 自动控制和家用电器等各个领域。在信息时代，随着人类的认识、活动范围在空 间和时间上将向无限、极端和崭新领域拓展，开发、研制能传感各种强、高、弱、 微和边缘效应的传感器己成为各种新兴领域、关键工程的出发点和突破口。这些 新兴领域和关键工程的突破将给人类科学技术带来不可估量的进展，产生巨大的 经济效益。因此，传感器已经成为现代科学技术开拓的先锋。 光纤传感技术是伴随着光通信技术的发展而逐步形成的。在光通信系统中， 光纤被用作远距离传输光波信号的媒质。显然，在这类应用中，光纤传输的光信 号受外界干扰越小越好。但是，在实际的光传输过程中，光纤易受外界环境因素 影响，如温度、压力、电磁场等外界条件的变化将引起光纤光波参数如光强、相 位、频率、偏振、波长等的变化。因此，人们发现如果能测出光波参数的变化， 就可以知道导致光波参数变化的各种物理量的大小，于是产生了光纤传感技术。 由于光纤传感器具有传统传感器不可比拟的诸多优点，在问世的三十多年 里，得到了广泛的关注与发展。特别是近几年，光纤传感器的工程应用研究发展 非常迅速。被广泛应用于化工、机械、医疗、交通、电力、民用建筑及航空航天 等多个领域。 目前新型的光纤传感器又有以下几个特点【1 1 1 2 1 ： ( 1 ) 优良的传光性能，传光损耗很小。目前损耗可达到0 2 d b k m 。 ( 2 ) 光纤传感器频带宽，可进行超高速测量，灵敏度和线性度好。 ( 3 ) 传感器体积小，重量轻，能在恶劣环境下进行非接触式、非破坏性、 以及远距离测量。 第一章序论 除此而外，光纤传感器还具有抗电磁干扰、防雷击、防水、防潮、耐高温、 抗腐蚀、抗高压、可挠曲、防爆等特点。它还便于与计算机连接，能够实现智能 化和远距离监控等等。 1 2 光纤传感器的分类比较 近三十年来，各国的科学家一直在不断的尝试利用各种物理和化学原理( 如 声光、电光、热光、磁光等效应) 来制作新型的光纤传感器。其研究工作的特点 是先对其测量原理进行理论上的可行性分析，然后根据测量原理在实验室中进行 大量实验来证明其传感测量的可行性。迄今为止，已经提出了种类繁多，原理各 异的光纤传感器方案。目前，研究的光纤传感器按其传感原理可以分为两类：一 类是传光型( 或称非功能型) 光纤传感器，另一类是传感型( 或称功能型) 光纤 传感器。功能型光纤传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，所以也 称为传感型光纤传感器。非功能型光纤传感器是利用其它敏感元件感受被测量的 变化，光纤仅作为传输介质，传输来自远外或难以接近场所的光信号。光纤传感 器按照被调制的光波参数不同又可以分为强度调制光纤传感器、相位调制光纤传 感器、频率调制光纤传感器、偏振调制光纤传感器和波长( 颜色) 调制光纤传感 器等。 本文取较通用的分类方法可分为单点式光纤传感器，准分布式光纤传感器 ( 包括点阵列传感器，积分式传感器) 和连续分布式传感器( 又被简称为分布式 传感器) l j j 。 准分布式和分布式光纤传感器如图1 1 所示： s s2 s 3 s 。 光探测器由 点成传感器阵列 s l s2 s ，s 曷交7 一一 光探测赫r - - - a 积分式传感鼎阵列 光探测器白分布式传癌器 图1 1 准分布和分布式光纤传感器 天津大学硕士学位论文 基于布里渊散射的分布式光纤传感器的实用模型及模拟仿真 1 2 1 单点式传感器 单点光纤传感器传感头几何尺寸较小，只局限于检测一个很小范围某一参量 的值。每根光纤得到的光信号只能反映某一点的环境变化情况。如用布拉格光栅 做光纤传感器探头进行测量。 1 2 2 准分布式光纤传感器 a 点阵列传感器 多个点式传感器共同作用便组成了点阵列传感器。目前在智能结构中，光纤 布拉格光栅传感器r ( f b g ，f i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o r ) 是应用前景看好、发展迅速 的一种点式传感器。它是利用f b g 的布喇格波长对温度、应力参量的敏感特性 而制成的一种光纤传感器。光纤b r a g g 光栅传感原理【4 1 1 5 胴根据光纤模耦合理论 ( c m t ) ，当宽带光在光纤光栅中传输时，将产生模式耦合，满足布喇格条件的光 被反射： 厶= 2 n , # a ( 1 - 2 - 1 ) 其中，a 为光栅周期，n e f f 为有效折射率。 和n e 盯都受外界环境影响而发生 变化a 和血。，导致符合布喇格条件的反射波长发生移位以，由布喇格条件 可得： 如= 2 ，l e 矿a + 2 ，o 玎a ( 1 2 2 ) 式l _ 2 2 表明，反射波长的偏移与光纤芯的折射率和光栅常数的变化有关。 当光纤光栅受到轴向应力作用或温度的变化影响时，其l l c f r 和a 都会发生变化。 应力作用下的光弹性效应导致折射率变化，形变使光栅常数变化，温度导致的光 热效应使折射率改变，而热膨胀系数致使光栅常数改变。 光纤光栅构成的传感器原理图如图l 一2 所示：外加待测量加在传感头f b g s 上，由光源出射的光在f b g s 中传输时，布喇格中心波长将会产生移位以。包 含负载信息的光波被f b g s 反射，经耦合器导入光谱分析仪，在分析仪中可检测 出厶，从而确定待测量( 温度或应变) 。 待溯雀( 温度或府变) 图卜2 光纤b r a g g 光栅传感原理图 第一章序论 光纤光栅传感器具有独特的优点：外界温度和应力的变化可只引起反射波长 的偏移，与入射光的强度、各种连接器的损耗无关，属于波长调制型光纤传感器。 因此它克服了强度调制传感器必须补偿的光纤连接和耦合器中的损耗，也克服了 光源输出功率起伏的弱点。在波分复用和时分复用的情况下，多只光纤光栅只需 一根数据总线，即可实现对物理量的分布式测量，尤其适用于复合材料的传感网 络。 虽然光纤光栅传感器具有很广阔的前景，但是如何对光纤光栅反射信号进行 卓有成效的检测一直是急待解决的重要问题，发展灵敏度高的，体积小的，简单 的解调系统是此装置实用化的关键。 b 积分式传感器 积分式传感器( i n t e g r a t i n gs e n s o r ) s o 量的是一定范围内的某一参量的平均值， 例如：某一尺寸范围内应变的平均值，或是温度的平均值。主要有m a t h z e h n d e r 干涉仪、光纤m i c h e l s o n 干涉仪以及光纤f a b r y p e r o t 干涉仪，其传感部分均为 一长段光纤，测量的是这段传感光纤上的积分效应。以光纤f a b r y p e r o t 干涉仪 ( f a b r y p e r o t i n t e r f e r o m e t e r ，f p i ) 为例，它的前身是1 8 9 7 年，法国科学家c f a b r y 和a p e r o t 发明的多光束干涉仪。结构如图1 3 所示。 图1 - 3 光纤f a b r y p e r o t 传感器 由三段单模光纤和两反射镜组成。两反射镜可镀介质膜形成。光纤中的光遇 到两反射镜后分别产生两束反射光r 1 ，r 2 ，这两束光相遇后产生干涉。干涉腔 长度随应变而变化，两反射光的相位差也随之变化，温度变化时引起的相位 差为 办：孕( 即口+ 要) r ( 1 - 2 3 ) 。为工作波长，l 为敏感部分光纤长度，n 为纤芯折射率，q 为光纤材料的 温度膨胀系数。压力变化引起的相位差为： 砟= 等地一手( 即桃塥钔 ( 1 - 2 - 4 ) 4 天津大学硕士学位论文基于布里渊散射的分布式光纤传感器的实刚模犁及模拟仿真 为纵向应变，占，为径向应变，p ，p 。为光纤材料的光弹性系数。用干涉 法测出矽，矿。之后即可求出平均的温度，变化或压力变化a p 。 光纤f a b r y p e r o t 干涉仪可实现单端操作，可用于测量温度、应变、超声、振 动等。由于它不需参考臂，可用于时分复用和相干复用等诸多优点，因而是许多 智能结构中较理想的传感器。但影响这种传感器广泛应用的难点在于： 1 ) 制作工艺难度较大，重复性差。 a ) 光纤端面镀反射镜的加工技术不完善。由于光纤镀膜是在i im 级的截面上镀 膜，传统的玻璃镀膜工艺并不完全适合光纤镀膜，从这一点上说，光纤镀膜技术 有待进一步研究。 b ) 端面镀膜光纤之间的连接技术很困难。目前，光纤之间的连接方法有两种：一 种是用光纤熔接机连接。虽然这种方法连接损耗小、重复性好，但是一台熔接机 的售价为几十万元，另外熔接时的高温会损害镀膜光纤的膜层。另一种是冷接法。 用光纤折射率与纤芯相近的光学胶粘接，这种方法虽然可以不破坏镀膜的膜层性 能良好的传光特性，但两光纤的准直不易控制。 2 ) 易受环境干扰。环境的变化，如温度、湿度、振动，甚至空气的流动，都对光 纤传感器有影响。 1 2 3 分布式光纤传感器 分布式光纤传感技术是最能体现光纤分布优势的传感测量方法，它是基于光 纤工程中广泛应用的光时域反射o t d r ( o p t i c a l t i m e d o m a i n r e f l e c t o m e t e r ) 技 术发展起来的一种新型传感技术嘲“”“”“”。除了具有上述光纤传感器的特点外， 其最显著的优点就是可以准确地测出光纤沿线任一点上的应力、温度、振动和损 伤等信息，无需构成回路”。如果将光纤纵横交错地铺设成网状，可构成具备 一定规模的监测网，实现对监测对象的全方位监测，克服传统点式监测漏检的弊 端，提高监测的成功率。分布式光纤传感器应铺设在结构易出现损伤或者结构的 应变变化对外部的环境因素较敏感的部位以获得良好的监测结果。从7 0 年代末 提出到现在短短二十几年里，分布式光纤传感取得了相当大的发展，并在以下三 个方面取得了突破：基于瑞利散射的分布式传感技术；基于布里渊散射的分布式 传感技术；基于拉曼散射的分布式传感技术。其中基于瑞利散射和拉曼散射的研 究已经趋于成熟，并逐步走向实用化。基于布里渊散射的分布式传感技术的研究 起步较晚，但由于它在温度、应变测量上所达到测量精度、测量范围以及空间分 辨率均高于其它传感技术，因此这种技术在目前得到广泛关注与研究“1 。 光在光纤中传输会发生散射，包括由光纤中折射率的变化引起的瑞利散射、 第一章序论 光学声子引起的拉曼散射和声学声子引起的布里渊散射三种类型“”。如图1 - 2 所 示，瑞利散射是光纤的一种固有特性，当光波在光纤中传输时，遇到光纤纤芯中 的折射率1 1 在微观上随机起伏而引起的线性散射；布里渊散射是入射光与声波或 传播的压力波相互作用的结果。这个传播的压力波等效于一个以一定速度( 且具 有一定频率) 移动的密度光栅，因此，布里渊散射可看作是入射光在移动的光 栅上的散射，多普勒效应使得散射光的频率不同于入射光。当某一频率的散射光 与入射光、压力波满足相位匹配条件( 对光栅来说，就是对应于满足布喇格( b r a g 曲 衍射条件) 时，此频率的散射光强度为极大值；拉曼散射是入射光波的一个光子 被一个分子散射成为另一个低频光子，同时分子完成其两个振动态之间的跃迁。 瑞利散射其波长不发生变化。而拉曼散射和布里渊散射是光与物质发生非弹 性散射时所携带出的信息，散射波长会与入射波长发生偏移。 a 光时域反射仪( o ) r ) ： o t d r 是基于测量背向瑞利散射光信号的实用化测量仪器。利用o t d r 可 以方便地从单端对光纤进行非破坏性的测量，它能连续显示整个光纤线路的损耗 相对距离的变化“1 。如图l - 4 所示，o t d r 测试是通过将发射光脉冲注入到光纤 中。当光脉冲在光纤内传输时，会由于光纤本身的性质、连接器、接合点、弯曲 或其它类似的事件而产生散射、反射，其中一部分的散射光和反射光经过同样的 路径延时返回到o t d r 中，o t d r 根据发射信号到返回信号所用的时间，利用 1 2 5 式就可计算出上述事件点与o t d r 的距离。 d = p r ) 2 n ( 1 2 5 ) 式中，c 是光在真空中的速度， 是信号从发射到接收到信号( 双程) 的总 时间。n 是由光纤纤芯的有效折射率。 b 基于布里渊散射的光时域反射仪( b o t d r ) ： b o t d r ( b r i l l i o no p t i ct i m e - d o m a i nr e f l e c t o m e t e r ) 是布里渊散射和o t d r 探测技术相结合构成的分布式应变传感器“”“”。原理如图1 5 所示。探测器接收 的是布里渊后向散射光，它相对于入射光脉冲会发生频率的漂移。布里渊频移v 。 主要由入射光频率y 。、光纤纤芯介质折射率n 、光纤内声速v 等决定 ，日= ( 2 7 0 c ) n v( 1 - 2 6 ) 式中，c 为真空中光速。当光纤的温度和应变发生变化时，光纤纤芯的折射 率n 和声速v 会发生相应的变化，从而导致布里渊频移的改变。通过检测布里渊频 移的变化量就可获知温度和应变的变化量。同时，通过测定该散射光的回波时间 6 天津大学硕十学位论文基于布里渊散射的分布式光纤传感器的实用模型及模拟仿真 就可确定散射点的位置。 光强 光强筹 ；爿 距离：z 图l - 4 光在光纤中的散射 波长漂移量 图1 5 后向散射光分析 目前，基于布里渊散射的温度应变传感技术的时域反射研究主要集中在 基于布里渊光时域反射( b 0 ) r ) 技术的分布式光纤传感技术和基于布里渊光 时域分析( b o t d a ) 技术的分布式光纤传感技术两个方面。 两种传感技术对空间的定位都是基于o t d r 技术。通过反射信号和入射脉冲 之间的时间差来确定空间位置。b o t d r 的自发布里渊散射信号相当微弱( 比瑞 第一章序论 利散射约小两个数量级) ，检测比较困难，因此基于b o t d r 的分布式光纤传感技术 的研究主要集中在布里渊信号的检测上”“。 b o t d a 技术最初i 由h o n g u c 等人提出。基于该技术的传感器典型结构如图1 7 所示。处于光纤两端的可调谐激光器分别将一脉冲光( 泵浦光) 与一连续光( 探测 光) 注入传感光纤，当泵浦光与探测光的频差与光纤中某区域的布里渊频移相等 时，在该区域就会产生布里渊放大效应【受激布里渊) ，两光束相互之间发生能 量转移。由于布里渊频移与温度、应变存在线性关系，因此，对两激光器的频率 进行连续调节的同时，通过检测从光纤一端耦合出来的连续光的光功率，就可确 定光纤各小段区域上能量转移达到最大时所对应的频率差，从而得到温度、应变 信息，实现分布式测量，且测量精度比较高o 。 在这两种传感器中，温度和应力的变化都能产生布里渊频移，在温度的变化 不是很大的情况下，我们常常忽略温度的作用。在温度变化较大时，可以采用“补 偿应变片”的方法，即在测试应变的光纤附近再放置一根没有应变的光纤对测试 光纤进行温度补偿，这样在所测得的布里渊频率变化中扣除由于温度所引起的布 里渊频率变化就可最终确定应力的变化。目前，通过布里渊频率信号同时测量温 度和应力的研究正在广泛进行中。 图卜6 基于b o t d r 的分布式光纤传感系统基本框图 图卜7 基于b o t d a 的分布式光纤传感系统基本框 天津大学硕士学位论文基于布里渊散射的分布式光纤传感器的实用模型及模拟仿真 c 基于拉曼散射的光纤传感器( r o t d r ) r o t d r ( r a m a no p t i ct i m e d o m a i nr e f l e c t o m e t e r ) 的原理是入射光波的一 个光子被一个分子散射成为另一个低频光子，同时分子完成其两个振动态之间的 跃迁。反射回入射端的反射光中，有一种称作拉曼散射光“”。该拉曼散射光含有 两种成份：斯托克斯和反斯托克斯光。其中斯托克斯光与温度无关，而反斯托克 斯光的强度会随温度变化“1 。反斯托克斯与斯托克斯之比和温度之间关系可用下 式表示： ( 1 - 2 n 式( 1 2 7 ) e e ：l 为反斯托克斯光，l 为斯托克斯光；a 为温度相关系数；h 为普朗克系数( j o s ) ：c 为真空中的光速( m s ) ；v 为拉曼平移量；k 为玻尔兹曼常 数( j k ) ；t 为绝对温度值。 实测斯托克斯一反斯托克斯光之比可计算出温度值为： ，。两h c o ( 1 - 2 - 8 ) 扛面鬲 光纤测温方式，直接测量的是拉曼反射光中斯托克斯光与反斯托克斯光的光 强之比，与其光强的绝对值无关，因此即使光纤随时间老化，光损耗增加，仍可 消除光损失的影响，从而可一直保证测温精度。 d 光频域反射计o f d r 如果系统工作在连续单模光纤的后向散射方式下，则探测器产生的拍频信号 的频率随产生反射光的点至光纤始端的距离成正比增加。如果将探测到的拍频信 号用传统的频谱分析仪显示出来，则每个频率处的功率就代表了与所观察频率相 应距离附近- - d 段光纤内的散射光强的大小。假定光源的线性调频性很好，且它 具有足够的信噪比，则在理论上可达到的最小空间分辨率为“” r = c 2 a f( 1 2 9 ) 式中c 是光速，是光源频偏的峰值。 由于斜坡电流驱动的l d 的频率变化速率很高( 很容易达至o l o o g h z s ) ，并且 频谱分析仪的分辨率为2 h z 或更小，因此 业盯 p口 = l l 第一章序论 o f d r ( o p t i c a l f r e q u e n e y d o m a i n r e f l e c t o m e t r y ) 比o t d r 具有更高的空间分辨率。 考虑到在光纤中光速有所下降，由上面的等式可得到空间分辨率为l m 。 o f d r 是9 0 年代以来一个新技术，但由于它存在的一个主要问题是光源的相 干性，它将调制接收到的频谱，从而使要观察的散射信号的空间变化产生畸变。 这使它的应用受到限制，当然这也是需要攻克的难点。 1 3 本课题的研究目的和意义 现在o t d r 和r o t d r 的研究已经日趋完善，基于布里渊散射的光纤传感器 的研究正在不断深入。市场上虽然也有了的商用产品，但b o t d r 的成本太高， b o t d a 也由于是双端输入，应用上受到了限制。 本课题建立了一种工程上具有实用价值的b o t d a 系统，将传统的b o t d r 和b o t d a 系统结合在一起，既能克服双端输入在工程上的不便也能以较低的价 位得到预期的效果。除此而外，还对b o t d a 的光祸合过程进行了模拟仿真，得 出了在一定条件下可以得到最好的检测效果。为今后的b o t d a 实用化，商用化 提供了一定的理论依据。 1 4 本文的主要工作和内容 本论文分为五章详细阐述了基于布里渊散射的光纤传感系统的模型及对其 的模拟仿真。 第一章简要概述了光纤传感的历史背景、发展过程以及不同传感器的分类比 较。指出了分布式光纤传感器的优势和特点。详细介绍了基于不同的非线性散射 的分布式光纤传感器当前的进展及发展趋势。总结了基于光时域反射的分布式光 纤传感器( o t d r 、b o t d r 、r o t d r 、o f d r ) 的工作原理。最后提出了本课 题研究的目的和意义。 第二章以o t d r 为例详细介绍了分布式光纤传感器中的信号处理方法。对 它们的优缺点进行了比较分析，同时分类总结了它们的应用领域以及在应用中存 在的问题。同时对当前产品的测量精度、测量范围等也进行了归纳。 第三章首先对光纤中的非线性特性进行概述，讨论了石英光纤中布里渊增益 的特性，然后通过考虑诸如布里渊阂值、泵浦消耗及增益饱和等重要特性，从理 论上描述了受激布里渊散射，并讨论了与受激布里渊散射有关的不稳定性。 第四章对建立的在工程上具有实用价值的b o t d a 系统进行了描述，并对其 1 0 天津大学硕士学位论文基于布里渊散射的分布式光纤传感器的实用模型及模拟仿真 性能进行了分析。之后通过给定参数对布里渊耦合方程进行求解，对受激布里渊 效应进行模拟仿真。通过t e c p l o t 画图软件给出接收到的布里渊图像。得出了在 一定条件下可以得到最好的检测效果。为今后的b o t d a 实用化、商用化提供了 一定的理论依据。 第五章全文做了总结，提出今后工作的方向。 第二章分布式光纤传感器的信号处理方法 第二章分布式光纤传感器的信号处理方法 o t d r 是利用背向散射法进行工作的。背向散射法与剪断法及插入损耗法相 比，突出的优点是： 1 它是一种非破坏性的测量方法。 2 它是一种单端口测量法，即测量只需在光纤的一端进行。这便于现场测量 数公里至数百公里的光缆。 3 它可以提供光纤损耗与长度关系的详细信息。因此，可检测光纤的物理缺 陷或断裂点位置，测量接头损耗和位置，以及测量光纤长度等。 基于上述优点，背向散射法在实验研究、光纤制造、工程现场和维护测试等 方面都是十分重要的作用。 2 1 背向散射法的信号处理方法 2 1 1 测量信号的接收1 4 1 接收端一般由光电二极管探测器和放大电路组成。此处探测器可选用雪崩光 敏二极管a p d 和场效应管f e t 。 接收端的主要问题是噪声。测量噪声的来源主要有三种： 1 光源的随机噪声 。它是由高功率的电源脉冲进行调制时，灯丝发射电 流的随机性引起的。 2 探测器的散粒噪声 。对于a p d 来说，噪声电流的均方值为： = 2 e f ( ) 吼( 2 - 1 1 ) 式中，e 为电子电荷； 为平均雪崩增益；f ( ) 是雪崩检测过程中相应 的过剩噪声系数； 是取样积分器对有用信号电流多次重复取样的总平均 值；b n 为接收电路的等效噪声带宽。 3 接收电路的热噪声 。它主要来自前置放大电路。热噪声电流的均方值 = a b s + 6 蝶( 2 1 2 ) 式中，a 、b 是正常数，与电路参数有关。可见，接受电路的噪声与其带宽有 密切的联系，带宽越宽，噪声越大。为了减小噪声，希望带宽b 。越小越好， 单从信号不失真的角度看，则希望风越大越好。在接收电路设计时，应尽可 能选择宽带宽、噪声小的元件，并折衷处理噪声与失真的矛盾。 天津大学硕士学位论文 基于布里渊散射的分布式光纤传感器的实用模犁及模拟仿真 2 1 2 信号处理过程 由于背向散射法测得的信号很弱，比入射光信号要低几十分贝。要从噪声中 把所需的信号检测出来，必须采用一种降低噪声的信号处理方法。为此，采用取 样积分器利用平均法消除噪声。 这种方法的原理是对n 次取样值积分【1 4 j 引，由于噪声的统计平均值趋于零， 且信号是周期性的，可以不断积累，因此信噪比可以提高。传统的取样积分电路 如图2 - i 所示。这是一种非实用取样电路，兀是慢斜波发生器产生的线性电压的 周期( 几十秒或几分钟) ，它决定扫描一个信号波形的时间。若对信号波形的每 一点进行n 次取样平均，则平均后的信噪比为 p计p s n r7 = 二生= ：垒一= n s n r ( 2 1 3 ) p n o _ n p n l 式中，和圪分别为平均器输出和输入信号功率；r 。和气分别为平均器 输出和输入端噪声功率；n 为平均次数。s n r 表示为平均的信噪比。 由式( 2 1 3 ) 可见，平均后的信噪比较平均前的信噪比增加j _ 忑氟一面 信噪比的改善是以时间为代价的，测量速度降低了。 k 点 射# r 1 卜一伊务器 幽 ，ri ；曲 卜瓦 卜_ r i t i i ：i 嗣哆麓段 ii 辣巾 l ， 匐l f 井罂黼 h1 u j & h 图2 1 取样积分器扫描原理图 攀剩 笙一 篇 一 同 第二章分布式光纤传感器的信号处理方法 2 1 3 信噪比、响应分辨率及动态范围 用单脉冲测量时，存在着信噪比、分辨率及动态范围之间的矛盾1 4 】【瑚。 信噪比定义为册= 等 ( 2 - 1 卸 在没有经过平均处理时信噪比为 s n 肛趸再薏 环 ( 2 - 1 - 5 ) + + 、 经过1 1 次平均后的信噪比为 熙碾t = 1 二生三一一 ( 2 1 6 ) + 一il 1 曲2 + 】 动态范围定义为允许输入信号的最高功率电平和最低功率电平之差；在背向 散射测量中被定义为增大的散射功率电平与噪声功率电平之差。 显然，信噪比和动态范围都有赖于散射功率电平的提高或平均次数的增加。 利用单脉冲测量时，散射回来的信号在积分器中取样，实际上是一种能量累 积过程。积分器输出的信号的能量不仅取决于入射光脉冲的幅度，也取决于脉冲 宽度。脉冲越宽，散射回来的信号总能量越大则达到所要求的信噪比的时间就越 短。 另一方面，响应的分辨率，即可分辨的两个故障点的最小距离为： 厶。= 三三f( 2 1 7 )l 删= = 一ft 2 l 一，) 式中，f 为脉冲宽度。可见f 越小，即分辨率越高。显然，分辨率高与提 高信噪比、增大动态范围、缩短测量时间的要求是矛盾的。 2 1 4 测量准确度的改进方法一两点法 由式( 2 1 - 6 ) 可见，用平均法改善信噪比时无法减小光源的噪声，这导致 测量的不确定性。为了消除这种影响，可采用两点法。 1 4 天滓大学硕士学位论文基于布里渊散射的分布式光纤传感器的实_ f j 模型及模拟仿真 图2 2 两点取样技术原理图 这种方法如图所示。在电路中使用一个延时发生器，两个取样保持电路及两 个a d 转换器。延时发生器在同一信号周期内产生两个不同延迟的触发脉冲， 它们在f 1 和t ，时刻分别使取样保持器s h i 和s h 2 对信号波形取样。得到的模拟信 号尸( f 。) 和p ( t ：) 分别经两个a d 转换器变换成数字信号，并由计算机处理。由多 次测量的平均值 和 可以计算出长度为l - ( t ：一f ，) 的一段光纤的平均 衰减系数 口( 允) = 寺1 0 l g ， c n ( t 2 1 1 ) 】( 2 1 8 ) 两点取样在测量时间上和克服光源不稳定影响上都比单点取样优越。两点取 样技术进一步改进，是利用高速s h 电路和高速a d 转换器对同一周期的信号进 行同步等间隔多点取样，多路数字转换与存储，并由微机进行平均处理。然后， 经过d a 转换器转换成模拟信号输出。这种处理方式也称为数字平均技术。由 于在信号的每一周期内实现多点同时取样，故分析一个完整的信号波形所需的时 间会大大缩短。因此，效率得到了很大的提高。 至于两点法测量的误差，我们设测得的衰减为： 肚扣s 筹】“勖( 2 - 1 - 9 ) 衰减系数为 第二章分布式光纤传感器的信号处理方法 a = 西1 丽删g 怒】 ( d b 舳) ( 2 - 1 - 1 0 ) 式中，z l ，z 2 分别为1 l ，t 2 时刻对应的取样位置，( z 2 一z 1 ) = 三( f 2 一，1 ) ， 对( 2 - 1 9 ) 微分可得到测量的不确定度。 生l坐【哿一豺(2-1-11a 2a p ( z ) )州磊) 7 这里，p ( z 。) 和a p ( ：2 ) 是测量功率的误差，它主要取决于接收电路的噪声， 这个误差可以用取样平均的方法减少。由于输出电压正比于测量功率，所以电压 测量的不确定度a v ( z ) v ( z ) 等于功率不确定度a p ( z ) p ( z ) 。 用两点法测量的动态范围与z l 点的选择有关，希望z l 越小越好。但z l 的减 小意味着z 。点的光功率分布越难满足稳态模激励的要求。 2 2o t d r 信号处理方法 用单脉冲做探测信号的传统的o t d r 存在着分辨率和信噪比、动态范围、 测量时间之问的矛盾。为了解决这个矛盾，我们的原则是：在保证分辨率的前提 下，尽可能提高信噪比和动态范围，并减少测量时间。 1 “ 我们知道测量的分辨率取决于信号的脉冲宽度( 上。= 妻三r ) 。对单脉冲来 二月 说，其能量取决于脉宽，故瑞利散射回来的信号能量也取决于脉宽。因而，提高 分辨率势必降低信噪比。那么，如何才能在不加宽单脉冲宽度的基础上提高脉冲 的能量呢。 采用编码信号代替单脉冲可以解决上述的矛盾。此时，响应的分辨率取决于 编码序列的码元宽度，不取决于编码序列的总长度。然而，信号的能量取决于编 码序列的相关长度，其相关长度越长越好。 这里讨论两种数字编码制式：一种是纠错编码序列，一种是伪随机序列。纠 错编码序列原本是数字通信系统中的一种具有检测错误能力的编码序列，其长度 由信息位和检测位组成。然而，此处不是利用它的纠错能力，而是利用它的相关 特性来提高其信噪比。伪随机序列又称伪噪声序列，其本身的自相关特性具有抑 制噪声的作用。 我们以美国h p 公司的8 1 4 5 a 型o t d r 为例介绍相关技术在o t d r 中的应 1 6 天津大学硕十学位论文基于布里渊散射的分布式光纤传感器的实肘模型及模拟仿真 用及开发价值 1 4 1 1 鳓。 h p 8 1 4 5 a 型o t d r 的测量速度极快，动态范围极大。它是一种性能优良的、 带h p 一1 b 接口的可编程光时域反射计。 o t d r 使用数字相关技术，对单模光纤在】3 0 0 n m 时能产生2 8 d b 的动态测 量范围。它比传统的o t d r 测量速度快1 5 0 倍，功率分辨率达o 0 1 d b ，距离分 辨率为l m ，最大测量距离为2 0 0 k i n 。o t d r 内部有个3 2 位微处理器，用以自 动计算机连接损耗。它可提供宽度为1 2 5 n s 、2 5 0 n s 、5 0 0 n s 、1 5 、2 9 s 、4 s 、 8 s 几种探测脉冲。光源波长可选择13 0 0 n m 和15 4 0 n m 两种低损耗波长。连接 损耗测量的重复性误差以9 5 的概率优于o 0 15 d b ，衰减系数的测量误差以9 5 的概率小于o 0 1 5 d b k m 。它的工作温度范围为一1 0 0 c 一- 5 5 0 c 。 由于背向散射信号远小于接收器的噪声，因此要进行多次重复性测量，并对 测量结果进行平均处理。平均处理的时间越长，测量的动态范围就越大，如图 2 3 所示。 图2 3 不同脉冲带宽时平均时问和动态范围关系 o t d r 的动态范围决定于系统的最大输入光功率p 。和最小光功率p 。，。比的 对数值。p 。可以是检测的最大背向散射功率，或者是光耦合器前或被测光纤前 端的最大入射光功率。p 。可以是噪声功率p n ，或者是其它原因引起的误差超过 原设定功率电平。此处定义的o t d r 的动态范围为 d = s l g 华( d b ) ( 2 - 2 1 ) j 月 式中，系数s 是考虑单程损耗的结果；p b ( o ) 最大的背向散射信号功率： p 。是平均后的噪声功率。 动态祀围一db_) 第二章分布式光纤传感器的信号处理方法 平均法对信噪比的改善程度是h p 8 1 4 5 a 与传统的o t d r 相比进行改进的。 在传统的o t d r 中，若设衰减系数为 拈一瓦1 1 0 l g 器 ( d b k m ) ( 2 2 2 ) 信噪比为 册枷l g 墨婴 ( d b ) ( 2 - 2 3 ) 则进行2 次平均时，信噪比改善为原来的2 倍，即1 5 d b ；而n 次平均则 信噪比改善为原来