（通信与信息系统专业论文）基于fbg的长距离传感系统及应用.pdf

摘要 摘要 随着我国大型建筑、长距离管道、铁路、油气矿井等的快速发展，研究先进 的长距离传感系统对这些设施进行安全健康监测显得尤为迫切。长距离光纤传感 系统是一种利用光纤作为传感媒介的传感系统，可以分为分布式传感系统和准分 布式传感系统。本课研究的是采用f b g ( 光纤光栅) 传感器来搭建长距离( 准) 分布式传感系统，并研究将其运用于超长距离的传感( 3 0 0 k m ) ，长距离多点同时 监控，电力安全监测( 同时测量温度及应变) 等方面。 首先，本文对f b g 及其传感系统的工作原理、应用及发展现状进行了系统的 介绍，并总结分析了f b g 的复用及解调技术。接着介绍并分析了各种光放大技术 的原理和优缺点，根据传感系统的特点和实际需要选择了将e d f a 与后向光纤拉 曼放大技术应用于长距离光纤传感系统。 然后搭建了超长距离光纤布拉格光栅传感系统，提出了基于可调激光器和声光 脉冲调制的光纤布拉格光栅( f b g ) 传感系统，同时利用掺铒光纤放大器和拉曼 放大相结合的放大方案大幅度提高了光纤布拉格光栅( f b g ) 传感系统的传输距 离，实现了3 0 0 k i n 超长距离的传感系统。 设计并搭建了基于低反射率( 每个f b g 的反射率均为5 ) 的f b g 传感系统， 利用f b g 时分复用的原理，将多个中心波长相同的低反射率f b g 分别设置在系统 的不同位置，构成准分布式光纤传感系统，以实现各传感点的应变测量。采用电 光调制器大大降低了系统的成本，监测距离可达1 2 5 公里，在其静态应变实验中， 线性度均可达到o 9 9 9 以上，测量精度高，并且可以实现多点同时监测。 最后参与设计并搭建了基于f b g 的电力安全监测系统，利用f b g 传感器的温 度应变特性，提出将其应用于输电导线覆冰舞动监测领域，将两个f b g 同时封装 在一起以同时检测温度及应变的方法，采用特殊材料以达到电力安全监测的特殊 要求。本系统采用w d m 波分复用f b g 传感网络，不同反射波长的n 个布拉格光 栅沿光纤长度排列，分别放置于监测对象的n 个不同监测部位，以实现对n 个监 测对象的实时、在线监测。 关键词：超长距离传感系统、光纤布拉格光栅、电力安全监测系统、拉曼放大 a b s t r a c t a b s 仃a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h el a r g eb u i l d i n g s 、t h el o n g d i s t a n c ep i p e l i n e s 、 r a i l w a y 、t h eo i la n dg a sc o a le t c ，t h ea d v a n c e dr e s e a r c ho nl o n g - d i s t a n c es e n s o rs y s t e m f o rs a f e t ya n dh e a l t hm o n i t o r i n gi sp a r t i c u l a r l yu r g e n t t h em e d i u mo ft h el o n g d i s t a n c e o p t i c a lf i b e rs e n s i n gs y s t e mi so p t i c a lf i b e r , t h es y s t e mc a nb ed i v i d e di n t od i s t r i b u t e d s e n s i n gs y s t e m a n dq u a s i - d i s t r i b u t e d s e n s i n gs y s t e m t h i s c o u r s es t u d i e st h e q u a s i d i s t r i b u t e ds e n s i n gs y s t e mu s i n go p t i c a lf i b e rb r a g gg r a t i n g s ( f b g ) s e n s o rt o m o n i t o re l e c t r i cs a f e t ya n dm e a s u r et e m p e r a t u r e ( s t r a i n ) w i t ht h es e n s i n gd i s t a n c e a c h i e v et o3 0 0 k i n f i r s t l y , t h i sp a p e ra n a l y s e st h ew o r k i n gp r i n c i p l e 、a p p l i c a t i o na n dc u r r e n ts i t u a t i o n o ft h ed e v e l o p m e n to ft h ef b gs e n s i n g d e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g yo ff b g n e x t , s y s t e m ，a n dt h e na n a l y s e st h er e u s eo f w es t u d yt h ep r i n c i p l e ，a d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g eo fv a r i o u sl i g h ta m p l i f i c a t i o nt e c h n o l o g y w ec h o o s ee r b i u md o p e df i b e r a m p l i f i e r ( e d f a ) a n dr a m a na m p l i f i c a t i o nt e c h n o l o g ya p p l i e di nl o n g d i s t a n c eo p t i c a l f i b e rs e n s i n gs y s t e ma c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i ca n da c t u a ln e e d s t h e nw eb u i l tal o n gd i s t a n c ef b g s e n s i n gs y s t e ma n dp u tf o r w a r df b gs e n s o r ( f b g ) s y s t e mw h i c hw a sb a s e do nt h ea d j u s t a b l e l a s e ra n da c o u s t o o p t i c p u l s e m o d u l a t o r ( a o m ) ，o b v i o u s l yi m p r o v e d f b gs e n s i n g s y s t e m ( f b g ) u s i n g t h e c o m b i n a t i o no fe d f aa n dr a m a na m p l i f i c a t i o n ，i nt h ee n dw ea c h i e v e dt h eu l t r a l o n g d i s t a n c es e n s o rs y s t e m w ed e s i g n e da n db u i l tal o n gd i s t a n c eq u a s i d i s t r i b u t e ds e n s i n gs y s t e mb a s e do n l o wr e f l e c t i v i t y ( e a c hf b gr e f l e c t i v i t ya c h i e v e dt o5 o ft h ef b gs e n s i n gs y s t e m ) ， u s e dt h et i m e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n gb a s e do nt h ef b gs e tm u l t i p l ew a v e l e n g t ho ft h e s a m el o wr e f l e e t i v i t yf b g r e s p e c t i v e l yi nd i f f e r e n tp o s i t i o n ，c o n s t i t u t e dt h ed i s t r i b u t e d o p t i c a lf i b e rs e n s i n gs y s t e mi no r d e rt or e a l i z et h es e n s i n gp o i n t so fs t r a i nm e a s u r e m e n t t h eu s eo fe o mg r e a t l yr e d u c e dt h ec o s to ft h es y s t e m ，t h em o n i t o r i n gd i s t a n c e a c h i e v e d1 2 5k m ，t h el i n e a r i t yc a l la c h i e v er e a c h e da b o v e0 9 9 9i ni t ss t a t i cs t r a i n e x p e r i m e n t 1 1 1 es y s t e m h a dh i g h a c c u r a c ya n d c a l lm o n i t o rm u l t i p l e p o i n t s s i m u l t a n e o u s l y i i f i n a l l y , w ed e s i g n e da n db u i l tt h ee l e c t r i cs a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e mb a s c do nm e f 。b gs e n s o r s ，u s i n gf b gs t r a i na n d t e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c s ，w h i c hw a sp u tf o 刑砌 t oa p p l l e dt 0w 】r et r a n s m i s s i o ni c ew a v e d m o n i t o r i n g w ep r o p o s e dp a c k a g et w of b g t o g e t h e ra n dm o n i t o rt h et e m p e r a t u r ea n ds t r a i ns i m u l t a n e o u s l ya n d u s es p e c i a lm a t 嘶a l t oa c h i e v em o n i t o r i n gs p e c i a lr e q u i r e m e n t s t h i ss y s t e mu s e dt h ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x ( w d m ) f b g s e n s o rn e 咖r k n l enf b gw h i c hh a dd i f f e r e n tw a v e l e n g t h sw e r ep l a c e d a l o n gt h eo p t i c a l 舶e rt o m o m t o rd i f f e r e n ta r e a st oa c h i e v et h er e a l t i m ea n d o n i i n e m o n i t o r i n go b j e c t sn k e y w o r d s ：u l t r a - l o n gd i s 切n c es e n s o rs y s t e m ，t h ef b qe l e c t r i c s a f e t ym o n i t o r i n g s y s t e m ，r a m a na m p l i f i c a t i o n 。 i l l 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 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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 为获得电子科技大学或其它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己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 盐叁 日期：为口年6 月多目 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：筮 喹 导师签名：坚 日期：，o 年6 月乡日 第一章绪论 第一章绪论帚一早三百1 = 匕 中国现在正大量建设土木工程和基础设施，为了能更好更安全的建设重大工 程，高要求的传感系统显得非常重要。光纤布拉格光栅( f b g ) 作为一种新型的传 感器，具有良好的稳定性、可靠性、对电磁波不敏感性、小尺寸，适于在高温、 腐蚀性或危险性环境使用的优点【l 3 】，因此在大坝桥梁等的安全监测方面得到广泛 的应用。但是传统的f b g 传感网络，由于激光器输出功率的有限，且光纤本身具 有传输损耗、连接损耗、瑞利散射等各种因素，随着距离的增加，传感信号及其 信噪比受到严重的限制，故传感距离不长。f b g 构成的传感网络，能在同一条光 纤上同时多点监测对象的应变及温度，故其应用于电力覆冰、短路等安全方面的 监测也是可行的。因此基于光纤布拉格光栅的各种传感系统得到了快速的发展， 部分光纤布拉格光栅传感系统已经较为成熟并且商用化。 为了实现诸如对铁道、输油( 气) 管道、隧道、海岸线、高压线路等长距离 线路实时安全监测，( 超) 长距离光纤传感系统的研究显得非常有必要和价值。 1 1f b g 传感器 1 1 1f b g 传感器原理及特性 图1 1普通布拉格光纤光栅结构 电子科技大学硕士学位论文 光纤布拉格光栅( f b g ：f i b e rb r a g gg r a t i n g ) 是一种纤芯折射率周期性变化的光 纤，在纤芯内形成的空间相位周期性分布的光栅，其作用的实质就是在纤芯内形 成一个窄带的( 透射或反射) 滤波器或反射镜如图2 1 所示【4 西】。利用这一特性可 制造出许多性能独特的光纤器件。这些器件具有反射带宽范围大、附加损耗小、 体积小，易与光纤耦合，可与其它光器件兼容成一体，不受环境尘埃影响等一系 列优异性能。目前应用主要集中在光纤通信领域( 光纤激光器、光纤滤波器) 和 光纤传感器领域( 位移、速度、加速度、温度的测量) 7 - 1 2 】。 f b g ( 布拉格光纤光栅) 是根据掺杂光纤的紫外光敏特性，使用呈空间周期 性的强紫外激光照射掺杂的光纤，从而使掺杂光纤纤芯形成折射率沿轴向周期性 分布制成的【”】一种反射式光纤光栅。 f b g 的结构如图1 1 所示，它反射特定波长的光而透射其他波长的光，其反 射谱如图1 2 所示。当入射光波长满足式( 1 1 ) 时，即被反射： 九b = 2 n 珂a 其中式( 1 1 ) 称为布拉格反射条件，九是f b g 反射的波长，n 够是光纤纤芯的有 效折射率，人是f b g 中的光栅周期。 竣 图1 - 2f b g 反射谱 光栅周期和纤芯的有效折射率大小决定了f b g 背向反射的中心波长。作用在 光栅上的应变或温度都会改变光栅的周期和纤芯的有效折射率。利用式( 1 1 ) ，我 们可以推导出，光纤布拉格光栅中心波长变化与作用在其上的应变及温度变化的 关系，该关系可以用式( 1 2 ) 来表示： 2 第一章绪论 九- 2 ( a 鲁- 筹- ) a i + 2 ( 人鲁坞等脚 2 ， ( 1 ) f b g 应变特性 f b g 应变特性如式( 1 2 ) 所示前面第一项所示，该项表示应变对f b g 传感 器的影响，即施加在f b g 上的应变改变了光纤光栅的周期和折射率。应变效应可 由式( 1 - 3 ) 表示： a a b = 九( 1 一) 乞 ( 1 3 ) 式( 1 - 3 ) 中，为有效应光常数( 由应光效应主要导致折射率改变) ，其定义为： e = t n e f f 【只：一y ( p ，+ 式( 1 - 4 ) 中，y 为泊松比；p 。、p 。2 是应- 光张量的分量。 ( 1 4 ) 在普通锗硅光纤中，p ，。= o 1 1 3 ，p 1 2 = 0 2 5 2 ，y = o 1 6 ，n 盯= 1 4 8 2 ，由式 ( 1 - 3 ) 和( 1 4 ) 可得，当f b g 的反射中心波长为1 5 5 0 n m 时，其应变灵敏度约为 1 2 p m 占。 ( 2 ) f b g 的温度特性 如式( 1 2 ) 中的第二项所示，该项表示温度对f b g 传感器的影响，即作用在 f b g 传感器上的温度改变将导致光纤热膨胀及折射率的改变，从而将改变光栅间 隔，进而改变f b g 反射的中心波长。温度效应可由式( 1 - 5 ) 表示： a a , b = 兄丑( 口a - t - 口。) a t ( 1 5 ) 式( 1 5 ) 中，口a = x 1 而o a 为光纤的热膨胀系数( 硅大约为o 5 5 x1 0 吊) ，而参数 吒= 一1 罢簪表示热光系数( 掺锗硅光纤纤芯大约为8 6 1 0 巧) 。 刀彬 d 由式( 1 - 5 ) 可得，当f b g 传感器的中心波长为1 5 5 0 n m 时，其温度灵敏度大约为 1 3 7 p m 。c 。 3 电子科技大学硕士学位论文 1 1 2f b g 传感器封装技术 现在，国内外对f b g 传感器的封装方法很多，而使用最多的技术就是采用对 f b g 外部进行聚合物封装的方法进行增敏”1 6 】，而这项技术关键在于：选取封装 材料和选择封装的工艺及方法。采用聚合物封装温度增敏方法，是利用聚合物材 料热膨胀系数较大的特性封装光纤光栅，而现在常使用的聚合物封装温度灵敏度 增强己获得了4 - 1 5 倍的效果。而在进行传感器的压力增敏时，聚合物材料的热 膨胀系数应该较小，以避免当温度变化时给f b g 较大的应变偏置；与此同时选择 的材料还应具有适当弹性模量，如果此模量太大，会达到不好的增敏效果，如果 此模量太，就不能有效的传递应变，并且还有可能会使光栅与封装材料之间产生 滑动。因此，选择适当的低膨胀系数具有一定弹性系数的有机物材料进行f b g 封 装，将可大幅度的提高f b g 传感器的应变响应灵敏度。 2 0 0 0 年，刘云启等人【1 7 】采用聚合物对f b g 进行封装，该方法将f b g 的压力灵 敏度提高了3 1 7 倍。采用聚合物进行封装的方法有两个好处，第一，能增敏；第 二，可以保护裸露的f b g 。 2 0 0 5 年，文庆珍等人【1 8 】就封装聚合物材料参数对光纤光栅压力传感增敏效果的 影响进行了研究，研究结果显示：增加聚合物泊松比，将会减小光纤光栅压力灵 敏度。聚合物的的泊松比将影响杨氏模量对压力灵敏度的影响，当聚合物泊松比 在较大范围内时( o 4 ) ，聚合物的杨氏模量对f b g 压力灵敏度的影响会较小，然 而当泊松比在较小范围内时( o 4 ) ，f b g 的压力灵敏度将随着聚合物的杨氏模量 减小而迅速减小。选择杨氏模量为1 0 10 8 n m - 2 且泊松比为0 4 5 的聚合物进行 封装，可以比裸露的f b g 压力灵敏度高4 0 4 倍。 所以，合适的工艺和封装材料的选取对于f b g 传感器的性能至关重要。通 过前面讨论的光纤光栅传感特性及原理，在不同的传感系统中，需要使用的f b g 封装技术会不同，如在准分布式长距离f b g 传感系统中，我们需要采用对温度不 敏感的封装技术，而在电力安全检测系统中，我们需要采用对应变和温度都敏感 但是互相不干扰的封装技术。 1 1 4f b g 的复用及解调 目前，f b g 的复用主要分为【1 9 之2 】：波分复用( w d m ) 法，时分复用( t d m ) 法、空分复用( s d m ) 法、以及这几种复用方式的组合复用等方法【2 3 2 4 l 。 波分复用( w d m ) - 在f b g 传感系统中，将n 个不同中心波长的f b g 放置 4 第一章绪论 在需监测的各个点，采用宽带光源或者是扫描光源，每个f b g 反射跟自己中心波 长相对应的光，如图1 3 所示。当监测点处受到应变或者温度作用时，相对应的 f b g 反射回来的波长将发生改变，通过解调系统即可得到相应的应变或者温度的 变化，从而实现对n 个点的同时实时监测。但是由于光源带宽有限，且为了避免 相邻波长的f b g 之间的互扰，每个f b g 之间需要一定的波长间隔，故复用数目有 限。 图1 - 3f b g 波分复用技术原理 时分复用( t d m ) ：由于f b g 放置在系统的不同位置，故反射回来的信号在 时间上有一定的差异，根据这个差异可以确定每个f b g 的位置，根据f b g 反射回 来的波长改变量可以确定作用在f b g 放置处的应变或温度量，如图1 4 所示。该 系统存在的最主要的问题就是，当复用较多的传感器时，需要增加系统的脉冲周 期，并且由于前面f b g 已经反射回一部分信号光，故整个系统信号光的可见度和 信噪比都会变差，所以，该系统中，可复用的f b g 会受到一定的限制，同时由于 光纤长度的增加，需减小取样速率。 图1 4 时分复用f b g 技术原理 电子科技大学硕士学位论文 空分复用( s d m ) ：跟前两种复用方法不同，空分复用是将各个f b g 并联在 一起，这样每个f b g 都能独立工作，各个f b g 反射回相对应的中心波长，如图 1 - 5 所示。该种技术的特点是：任何一个f b g 受到损害都不会影响其他f b g 正常 工作并且方便更换坏掉的f b g ，但是由于每个f b g 都自成系统，需要单独布置 光纤线路，故该方法成本高。 f 卜书 下 絮喜 算 、匡了 圈1 - 5 空分复用f b g 技术原理 将以上三种f b g 复用方式相结合就形成了f b g 传感网，如图1 6 所示。该传 感网络能同时监测n 个点，且系统率高，但是该系统复杂度较高，且f b g 的复用 度受到光源带宽和扫描周期的限制。 土 - i ， 图1 - 6f b g 传感网络 第一章绪论 由于作用在f b g 上的外界环境的压力或者温度改变将导致f b g 反射波长发生 改变，故检测f b g 反射波长的改变量即可得到作用在f b g 上的压力或者温度改变， 其波长变化通常与受到的外界压力以及温度变化具有一定的线性关系，所以如何 利用波长进行解调就成了能否实用化f b g 传感器的一个很关键的因素。其中， 最简单的办法就是采用高分辨率的光谱仪接收f b g 传感器反射回来的光，直接读 波长的变化，但是高分辨率的光谱仪不仅价格很高，而且体积庞大，故一般只用 于实验室分析。现在，国内外提出了多种f b g 解调方法，如匹配光栅解调法1 2 引、 可调谐激光器法【2 6 】、干涉法【2 刀和滤波法【2 8 之9 】等。 1 1 3 光纤传感系统分类 光纤传感系统根据其传感的点数及连续性，可以分为点式传感系统、准分布 式传感系统、分布式传感系统。 光纤点式传感系统指的是系统中只使用一个点传感器，只能对特定的某一点 进行传感，而其他光纤均作为传输信号的介质的传感系统。如图1 7 所示。此类传 感系统传感范围小，光纤利用率低。 单点传感 图1 7 单点式传感系统 点式传感器包括：光纤光栅传感器和光纤法布里珀罗( f a b r y - p e r o t ，f p ) 传感 器。其中光纤光栅传感器根据光栅周期的长短又分为短周期( 周期小于1 微米) 光纤光栅传感器或者布拉格光纤光栅传感器( f b g ) 和长周期( 周期为几十直几 百微米) 光纤光栅传感器( l p f g ) 。光纤光栅传感器能同时测量应变和温度，但 是f b g 占用的频带更窄，因此在长距离多传感器串联复用时能够分布更多的传感 器。f p 传感器对外界温度变化不敏感，更适合于在温度变化条件下对应变进行单 7 电子科技大学硕士学位论文 一测量，而不需要温度补偿，如超高温下的应变测量。 准分布式光纤传感系统指的是利用传感器的时分复用、波分复用或者空分复用 原理，将多个传感器复用在一套传感系统中，可以同时监测多个待测点信息的传 感系统，如图1 8 所示。相对于点式传感系统来说，该种传感系统大大提高了系统 的传感范围和系统的有效利用率，相对于分布式传感系统来说，该种传感系统的 精度更高，稳定性更好。 多点传惑 = 3 一 传感器 图1 - 8 准分布式光纤传感系统 分布式传感系统指的是利用光纤本身的散射来实现传感的系统，如图1 - 9 所示。 光在光纤中传输时，由于光纤的不均匀等特性性，会发生各种散射，通过检测后 向散射光的强度来获取光纤线路上的传感信息。 图1 - 9 分布式传感系统 光纤中的光散射主要包括：拉曼散射( r a m a ns c a t t e r i n g ) 、瑞利散射( r a y l e i g h s c a t t e r i n g ) 和布里渊散射( b r i l l o u i ns c a t t e r i n g ) 三种类型。其中激发光与散射光 的频谱分布如图1 1 0 所示。激发光两侧的频谱都是成对出现的，低于激发光频率的 8 第一章绪论 散射光称为斯托克斯光( s t o k e s ) ，高于激发光频率的散射光称为反斯托克斯光 ( a n t i s t o k e s ) ，其中拉曼频移约为1 3 2 t h z ，布里渊频移约为l l g h z 。 蠹 暑 厶 i 翟 占 图1 1 0 光纤中激发光与散射光的频谱分布 当光纤周围的外界环境参数发生改变时，这些散射光的散射强度或中心频率 会发生相应的改变，因此，通过对后向散射光的检测就可以实现对外界环境相关 参数的测量。 分布式传感技术主要包括：基于布里渊散射的b o t d r 技术【3 0 1 、基于相位敏感的 1 2 i o t d r 技术 3 1 - 3 2 1 和利用偏振光时域反射的p o t d r 技术【3 3 】。 该系统的特点是：光纤既是传感元件又是传输通路，光纤线路上的每个点都可以 监测，但是系统的传感距离较短，稳定性较差。 1 2 长距离传感系统的研究现状 1 2 1 准分布式传感系统的研究现状 自从1 9 7 8 年k o h i l l 等人首次报道了用氩离子激光器在锗硅光纤上用驻波持续曝 光制作成第一个光纤光栅光纤布拉格光栅( f b g ) 以来【3 4 1 ，各国学者对光纤 布拉格光栅的研究和应用产生了极大兴趣。f b g 可用在光纤通信系统中的关键无 源器件，比如光纤激光器、波分复用器、光放大器中的泵浦反射镜、增益均衡器 和色散补偿器件等。f b g 在传感领域中已经广泛应用于一些重要物理参数( 比如温 度、应变、压力、加速度、超声波、强磁场等) 的准分布式测量，主要应用在以下 几个方面【3 5 3 7 ： 9 电子科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 大型复合材料和混凝土结构的健康检测：桥梁的应变情况检测，矿藏、隧道 和地下挖掘中受力和温度变化的检测，对用于大型船舰和航天器的复合材料的结 构完整性进行检测。 ( 2 ) 在电力工业方面的应用：测量高压和高功率设各的绕线温度，测量电力传输 线的负载，测量电流。 ( 3 ) 实时监测油井的温度和液压。 ( 4 ) 医学应用：医用超声波传感系统，医用温度传感系统。 ( 5 ) 探测化学物质。 在诸如对铁道、输油( 气) 管道、隧道、海岸线、高压线路等长距离线路实 时安全监测时，传感系统的距离需要达至帆十上百甚至几百公里。为了实现f b o 长距离传感，研究者们采取了很多方法，诸如增加激光器功率、加入放大器、优 化线路等。 图i - i l 基于掺铒光纤垃曼混台放太的扫描激光器的1 ( 0 k r a 光纤布拉格光栅传感系统示意图 电子科技大学饶云江等人圳提出了基于扫描激光器和光放大的1 0 0 k 皿，t 纤靠 拉格光栅传感系统，如图i - 1 1 所示。i = l i 系统是基于e d f 取波拉曼混合放大的方法， 以高功率扫描激光嚣为光源，在1 0 0 k i n 的f b g 传感系统上进行双向拉曼放大，以及 第一章绪论 利用其剩余功率同时进行掺铒光纤放大，在1 0 0 k m 处获得了7 d b 的良好信噪比。 日本t a k a n o r is a i t o h 等人提出基于e d f a 的f b g 传感系统实现了2 3 0 k m 系统， 如图1 1 2 所示。该系统利用自主研发的大功率宽带扫描激光光源，加入e d f a 放 大器，实现最长距离达2 3 0 k i n 的超长距离传感，但其在2 3 0 k i n 传感距离处信噪比 仅有4 d b 3 9 1 。 图1 1 2 基于e d f a 的f b g 传感器系统 1 2 2 分布式长距离传感系统研究现状 图1 - 1 3 基于e d f a 的0 - o t d r 传感器系统 1 1 电子科技大学硕士学位论文 目前，在分布式传感系统的研究中，电子科技大学饶云江等人设计的基于拉 曼放大的 - - - - - o t d r 系统，传感距离可达6 2 k m ，为国际上报道的最长o t d r 传感距离，如图1 1 3 所示。系统中使用法国k e o p s y s 公司生产的大功率拉曼光纤 激光器，激光器输出波长为1 4 8 0 n m ，输出功率为0 1 0 w 可调，拉曼泵浦光经5 0 5 0 耦合器分束后，通过w d m 分别泵入6 2 k m 传感光纤的前后两端。背向散射信号通 过耦合器进入探测器之前，需要使用f b g 和环形器进行滤波，滤除拉曼泵浦激光 自身产生的1 4 8 0 n m 波长的背向散射噪声，使系统探测的信号更加准确。 激光器卜 = = 害牛(耦合器 堕里垄竺彗 光隔离器 电光调制 微波调制 堡型竺h 兰望 待测光纤厂i 图1 1 4 基于拉曼放大的b o t d a 传感器系统 1 。 环形器 2 电子科技大学饶云江等人设计的一种基于双向分布式拉曼放大的b o t d a 系 统，如图1 1 4 所示。该系统是利用双向拉曼泵浦光对信号光进行拉曼放大，温度 传感距离达5 0 k m ，温度分辨率达0 6 。c ，空间分辨率为5 0 m 光纤后端的测量分 辨率明显得到改善，探测信号整体平稳，布里渊频移随温度变化的线性度非常好， 完全符合实际温度传感的要求该系统保证了整段光纤的温度分辨率，克服了传 统b o t d a 光纤后端信号急剧下降的弊端，对分布式光纤传感系统的研究具有较 高的参考价值 1 3 课题研究内容及意义 中国现在正大量建设基础设施及土木工程，南水北调工程中仅中线长度就有 1 2 6 7 k m ；在未来几年，我国将投入1 0 0 0 亿元的资金，用于建设油气管道，其总长 度达到1 5 万公里。更好的传感系统对于重大工程的建设和安全运行有非常重要的 1 2 第一章绪论 意义。从上个世纪末开始，我国很多高等院校如重庆大学、电子科技大学、清华 大学等就纷纷开始了对光纤传感系统的研究，但是在准分布式的( 超) 长距离传 感系统方面的研究还比较少。随着我国在铁道、输油( 气) 管道、海岸线等的超长 距离遥测的要求不断提高，需要上百公里甚至几百公里的传输距离且信噪比优良 的系统，因此研究长距离光纤传感系统有很大的学术意义和工程应用潜力。 为此，本论文从以下几个方面进行研究： ( 1 ) 本文研究了f b g 的工作原理，分析了各种传感系统，及f b g 的复用方法， 研究了国内外现有的长距离传感系统方案。 ( 2 ) 在传统的f b g 传感系统的基础上，为了延长传感距离，提出了基于可 调激光器和声光脉冲调制的光纤布拉格光栅( f b g ) 传感系统，同时利用掺铒光 纤放大器和拉曼放大相结合的放大方案大幅度提高了光纤布拉格光栅( f b g ) 传 感系统的传输距离，实现了3 0 0 k m 超长距离的传感系统。 ( 3 ) 在超长距离f b g 传感系统的基础上，设计并搭建了基于f b g 长距离的准 分布传感系统，该系统是基于低反射率的f b g 传感系统，利用f b g 时分复用的原理， 将多个中心波长相同的低反射率f b g 分别设置在系统的不同位置，构成准分布式 光纤传感系统，以实现各传感点的应变测量。采用电光调制器大大降低了系统的 成本，监测距离可达1 2 5 公里，测量精度高，并且可以实现多点同时监测。 ( 4 ) 参与搭建了基于f b g 的电力安全监测系统，该系统中将f b g 的温度应变 传感特性应用于输电导线覆冰舞动监测领域，将两个f b g 同时封装在一起以同时 检测温度及应变的方法，采用特殊材料以达到电力安全的特殊要求。利用f b g 的 波分复用原理，以实现在一条光纤上设置n 个监测点，节约系统成本，为工程应 用奠定基础。 1 3 电子科技大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章超长距离f b g 传感系统 虽然国内外对光纤传感的研究时间比较早，但是基本局限于对短距离传感的研 究，目前，在分布式传感系统的研究中，电子科技大学饶云江等人设计的新型高 灵敏分布式光纤入侵监测系统，利用一o t d r 原理，传感距离为8 k m ，定位精度可 达1 0 0 m t 4 0 1 ，设计的基于拉曼放大的o t d r 系统，传感距离可达6 2 k i n ，为国际 上报道的最长o t d r 传感距离。在准分布式传感系统中，饶云江等人提出基于 扫描激光器和光放大的1 0 0k m 光纤布拉格光栅传感系统实现了1 0 0 k i n 长距离f b g 传感系统，其信噪比约为7 d b 。t a k a n o r is a i t o h 等人提出基于e d f a 的f b g 传感系统 实现了2 3 0 k m 系统，但其信噪比仅有4 d b ，且对系统光源要求高。但在许多场合， 如铁道、输油( 气) 管道、海岸线等的超长距离遥测中，需要上百公里甚至几百公里 的传输距离且信噪比优良的系统。因此本文提出了对基于可调激光器的光纤布拉 格光栅传感系统进行e d f a f r a 混合放大的方法，使得整个系统的探测距离能够达 n 3 0 0 k m ，同时具有良好的信噪比。 本文所研究的超长距离f b g 传感系统是基于f b g 传感器的一种应变监测系统。 由于在光纤中传输的光信号因损耗而衰减，为了能更好的探测光信号，就需恢复 其功率。本系统采用e d f a 和拉曼放大相结合的方式，大大延长了系统的传感距离。 2 2e d f a 放大原理及结构 2 2 1e d f a 放大原理 纤芯中掺入稀土金属元素铒的光纤称为掺铒光纤。e d f a 是一种基于掺铒光纤 的能直接对光信号进行放大的光学器件。e d f a 所基于的最基本物理现象是在电磁 场中原子的受激辐射( s t i m u l a t e de m i s s i o n ) 【4 l 】。该现象的意思为：在组成物质的 原子中，不同的能级上会有有不同数量的粒子( 电子) 分布，当某种光子激发处 于高能级上的粒子时，高能级上的粒子会从高能级跳到( 跃迁) 到低能级上，此 时将会辐射出与激发它的光子相同性质的光 4 2 1 。e d f a 工作在c 波段，即能对 1 4 第二章超长距离f b g 传感系统 1 5 2 5 n m 1 5 7 0 r i m 波长的光进行放大。铒粒子能级光能转换原理如图2 1 所示。 输入光 i l j 9 8 0 a m1 4 8 0 r i m 2 2 1e d f a 结构 图2 1 铒粒子能级结构简图 输出光 a m e d f a 主要由掺铒光纤( e d f ) 、泵浦源、波分复用器( w d m ) 和隔离器等几 部分按照一定的方式搭建组成。根据其所处位置和作用，在光纤通信系统中一般 分为功率放大器( 将e d f a 放置在系统发射端) 、前置放大器( 将e d f a 放置在系 统接收端) 和线路放大器( 将e d f a 放置在系统光线中间) 【4 3 1 。 按照泵浦激光耦合形式不同，可分为三种基本结构，即前向泵浦式e d f a 、后 向泵浦式e d f a 及双向泵浦式e d f a ，如图2 2 所示。前向泵浦式是指将泵浦光源 放置在系统的前端，让泵浦光跟输入信号光按相同方向传输，后向泵浦式是指将 泵浦光源放置在系统的末端，泵浦光与输入信号光按相反方向传播，双向泵浦式 是指在系统的前后端均加入泵浦源，在输入信号的同向和反向方向上都有泵浦光。 其中光隔离器的作用是抑制反射并且有效防止反射光影响放大器的性能，以 此来保证整个系统稳定的工作，因此它应该具有低插入损耗、隔离度优于4 0 d b 、 与偏振无关等特性。一般情况下，系统中会采用两个光隔离器，其中一个放置在 输入端，用以消除系统中上段的自发辐射可能反向传播引起的干扰；另一个设置 在输出端，用以避免下段逆向反射干扰系统。放大器的噪声可以通过滤波器滤除， 同时提高系统的信噪比，要想达到增益均衡的效果，需要优化设计的增益平坦滤 波器。 在这三种泵浦方式中，同向泵浦效率最低( 大约为6 1 ) ，但是噪声系数最小， 并且输出功率最小；反向泵浦泵浦效率较大( 大约为7 6 ) ，但是噪声系数最大， 并且输出功率中等；双向泵浦泵浦效率较大( 大约为7 7 ) ，噪声系数中等，但是 输出功率最大。 1 5 电子科技大学硕士学位论文 图2 - 2e d f a 三种基本结构 2 , 3 拉曼放大器原理及结构 23 1 拉曼放大原理 利用光纤中的受激拉曼散射( s r s ) 效应一删可以制成光纤拉曼放大器 ( f r a ) 。1 9 2 8 年由印度物理学家r a r a a n 发现并解释了拉曼效应的【4 ”。在光纤中， 存在中两种拉曼散射，分别为自发拉曼散射和受激拉曼散射。自发拉曼散射是光 纤特的一种特性，是热振动声子对入射光的散射，该过程将约l u 倍的入射光的 功率转移到另一个或多个较低频率的称为斯托克斯( s t o c k s ) 光中。受激拉曼散射 ( s r s ) 是强泵浦光与物质相互作用产生的受激声子对入射光的散射，在强光场作 用下，随着入射光场能量的增强，介质中的斯托克斯波迅速增强，以至于将大部 分的泵浦光能量都转移到斯托克斯波中去了，而石英光纤中的s r s 现象于19 7 2 年 第二章超长距离f b g 传感系统 首次被发现【4 8 1 。f r a 正是利用受激拉曼散射效应来对输入光纤的信号进行放大的 4 9 1 o 研究发现，拉曼增益具有一个非最重要的特征：它的峰值增益波长依赖于泵 浦波长，产生约1 0 0a m 的固定频移。而且石英光纤具有很宽的受激拉曼散射增益 谱，并在1 3 2 - - - , 1 6t h z 附近有一较宽的主峰【5 0 铆】( 如图2 3 所示) 。因此，如果一 个较弱的信号光与一个很强泵的浦光波在光纤中同时传输，并且该弱信号光的波 长处于强泵浦光的拉曼增益带宽内，则可放大该弱信号光。 2 3 2 拉曼放大分类 图2 - 3 拉曼增益谱 f r a 按照放大方式不同，可以分为集中式f r a 和分布式f r a 。集中式f r a 是指增益光纤采用拉曼增益系数较高( 如色散补偿光纤) 的特殊光纤。分布式f r a 是指利用长距离普通光纤作为增益光纤。分布式f r a 与集中式f r a 相比，具有噪 声低、泵浦功率低的特性，故可将其应用于实现长距离通信系统。现在，在长距 离光纤传输中，已广泛的采用了分布式f r a s 2 】。 f r a 的优点主要有： ( 1 ) 增益波长由泵浦光波长决定，这是它最突出的优点，这代表着我们可以 对任意波长的信号光进行放大，前提是有响应波长的泵浦光。 ( 2 ) 所有的光纤中都可以发生s r s 效应发生，因此增益介质可以直接为传输 光纤。 ( 3 ) 与e d f a 相比，f r a 具有更优良的噪声特性。并且，由于用于传输的光 信号较低，所以非线性效应影响也非常低。 f r a 的主要缺点有：与分立式f r a 相比，泵浦效率更低。由于长距离的光纤传 1 7 吣 o _、mnbi，誓瞄瑶磬耐謦 电子科技大学硕士学位论文 输，泵浦能量被损耗，故泵浦效率较低，泵浦光功率会因为长距离的光纤传输而 损耗。并且喇曼增益与泵浦光和信号光的偏振相关特性给其放大的增益控制带来 了难度。分布式喇曼放大器目前主要和e d f a 一起使用，如图2 叫所示 光纤光纤 2 3 3 拉曼放大器结构 图2 - 4f r a 与e d f a 混合的典型模型 光纤 光纤 仕 光纾 图2 5r f a