BOTDR系统中的SBS效应及其传感应用研究

1、华北电力大学（保定）硕士学位论文BOTDR系统中的SBS效应及其传感应用研究姓名：李旭东申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：李永倩20071228摘要深入研究了光纤巾的受激布罩渊散射（）效应，揭示了系统中的效应的产生机理。指出当电光调制器（）的消光比有限时，漏光将通过效应对入射脉冲光产生的自发布里渊散射进行放大，使时域波形明显区别于一般波形；当消光比过低时，效应迅速增强，泵浦迅速耗尽，系统无法正常工作。推导了信号功率的表达式；在不同消光比下，对系统的时域波形进行了数值仿真，结果与前期实验相吻合。分析了光纤布里渊散射的频移和强度与温度、应变的关系，分别对温度和应变传感信号的频域和时域

2、波形进行了数值仿真。最后，探讨了信号用于传感对系统信噪比、动态范围、测量精度等指标的改善。关键词：光纤传感，布里渊光时域反射计，受激布里渊散射效应，电光调制器，消光比（）玎，舶既（），砸曲锄矗潞觚吐曲虢，【矗讯肌，锄枷，（）：，摘要深入研究了光纤巾的受激布罩渊散射（）效应，揭示了系统中的效应的产生机理。指出当电光调制器（）的消光比有限时，漏光将通过效应对入射脉冲光产生的自发布里渊散射进行放大，使时域波形明显区别于一般波形；当消光比过低时，效应迅速增强，泵浦迅速耗尽，系统无法正常工作。推导了信号功率的表达式；在不同消光比下，对系统的时域波形进行了数值仿真，结果与前期实验相吻合。分析了光纤布里渊散

3、射的频移和强度与温度、应变的关系，分别对温度和应变传感信号的频域和时域波形进行了数值仿真。最后，探讨了信号用于传感对系统信噪比、动态范围、测量精度等指标的改善。关键词：光纤传感，布里渊光时域反射计，受激布里渊散射效应，电光调制器，消光比（）玎，舶既（），砸曲锄矗潞觚吐曲虢，【行肌，锄印枷，（）：，声尸明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文系统中的效应及其传感应用研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，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，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而

4、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。学位论文作者签名：壅堡垒日期：砌罗关于学位论文使用授权的说明本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。（涉密的学位论文在解密后遵守此规定）作者签名：蕉丛垒日期：丝曼：；：！导师签名：，匕乜人乏！沦文引言第一章绪论随着现代：、民用工

5、程、空日技术、刍！事等领域自动化和智能化的发展，在许多科研和：程应用中迫切需要测量温度、应变信息的分白情况，例如长距离输油管道、通信光缆、电力电缆、蒸汽管道、大坝、隧道等。分命型光纤传感器具备提取大范围测量场分布信息的能力，可以解决测量领域的诸多难题。其中，分稚型光纤温度传感器可用于如大型电力变压器、高压电力网、高层建筑等的温度分布测量和监控；分布型光纤应变传感器在多层建筑、桥梁、水坝、飞行器、压力容器等重大结构与设备的形变监测方面具有广阔的应用前景。近年来，分白型光纤传感技术在复合材料中的应用，丌辟了智能化材料新领域弛。基于白罩渊散射的分御型光纤传感技术是目自国际上最重要和最有途的一种新型测

6、量技术。¨，也是国际上传感器研究最活跃的热点课题之一。该技术在温度、应变测量所能达到的精度、传感距离及空问分辨率等均高于基于瑞利、拉曼散射的分布型光纤传感方式，并且能实现对温度和应变的同时传感。利用该传感技术可对被测场的温度或应变情况进行在线监测，从而实现故障隐患及故障点的快速、准确定位。因此，研究和丌发布罩渊分布型传感器，不仅有很高的学术价值，而且具有广阔的市场应用前景。布里渊分布型传感技术研究现状布罩渊分句型光纤传感技术具有广阔的应用前景，国内外对该技术及其应用研究方兴未艾。自年首次提出以来，众多研究人员展丌了对关于布罩渊散射的分布型光纤传感系统的研究，并取得了突破性进展。目前，

7、基于和罩渊分布型传感技术研究较多的方案可分为三类：（）基于布罩渊光时域反射（）的分和型光纤传感技术；（）基于布罩渊光时域分析（）的分布型光纤传感技术；（）基于命甲渊光频域分析（）的光纤传感技术盯。基于的光纤传感技术皋二（），）的分布型光纤传感系统类似光时域反射计（），基本框图如图卜所÷。华北匕人贝寸论文图卜基于的分布型光纤传感系统基本框图在中，当脉冲光在光纤中传输时，在发送端就可以检测到由瑞利散射产生的背向散射光，背向散射光提供对光纤衰减及位置信息的测量。在中，背向的自发布罩渊散射代替了瑞利散射，由于布罩渊散射受温度和应变的影响，因此通过测量布罩渊散射便可以得到温度或应变信息

8、8;¨引¨”¨。传感系统的优点是只需要单端测量，实际使用比较方便。基于的光纤传感技术传感系统最初是等人作为一种非破坏性的光纤损耗测量技术而提出的嫡，随后便得到迅速发展。技术采用了布罩渊放大效应，基于该技术的传感器典型结构如图卜所示。图卜基于的分布型光纤传感系统基本框图处于光纤两端的叮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罩渊频移相等时，在该区域就会产尘命甲渊放大效应（受激命罩渊散射），两光束相互之发化能量转移。出于枷罩渊频移温度、应变存在线性关系，冈此，对两激光器的频率进行连续涮节的司时，通过榆

9、测从光纤一端耦合小求的连续光的功率，就町确定光纤各小段蔓域：能量转移达到最大时所对应的频率笼，从实现温度、应变信息的分布型测疑。（）系统的！并特点是动态范围人，测蔗精度舟。系统较复杂，泵浦激光此，入：硕：学论文器和探测激光器必须放：被测光纤的曲端，给实防：够川惜术定的困难；其次，（），、）系统能测断点，舀：；婴测断的应用中受剑限制。“。阢。等人对（）系统的研究，实现了长度为，箍矗度精度为，空分辨率为米的测最。¨。使川小：的短脉冲埘币模光纤布罩渊谱特性研究中，发现布早渊信号的强度泉浦脉冲的宽度线性相关，肖脉冲宽度从减小至时，靠单渊谱宽逐渐达到最大，约为；脉冲宽度继续减小时和罩渊谱宽却急

10、剧变窄¨“。等对利用脉宽小于声子寿命的探测脉冲时高分辨率布罩渊分布型光纤传感中的瞬态响应进行了研究，初步揭示了此过程的机理。出于传感系统中电光调制器（）的消光比（）有限，导致布旱渊频移测量的混乱状态，使得在光纤真实温度测量及定位时出现差错¨引，不能实现精确测温和定位，限制了传感技术的发展和应用。等人利用直流和短脉冲（约）的激光作为布罩渊光纤传感系统中的探测光束，提出了一种可同时达到高频率分辨率和高空间分辨率（厘米级）的布早渊谱分析方法啦¨，向罩渊谱可由底部为代表脉冲与直流光作用的高斯型、顶部为代表直流与直流光作用的洛仑兹型的双重结构表示让引。另外，信号对频率和位置

11、的二阶偏导数可以用来区分光纤中两个不同应变区域的边界，进而可用于更精确地定位光纤中的应变区域，定位精度达，布罩渊频移测量分辨率约为。基于的光纤传感技术不同于定位方法，是基于测量光纤的传输函数实现对测量点定位的一种传感方法。这个传输函数把探测光和经过光纤传输的泵浦光的复振幅与光纤的几何长度相互关联起来，通过计算光纤的冲击响应函数确定沿光纤的应变和温度信息。传感系统原理框图如图所示。图卜梁：（）？的分布犁光纤传感系统缺本框图华北也力人学硕：？一论艾束窄线宽连续泉；光从端入射进单横光乡，束窄线宽连续探测光从光纤的另端入射。探测光的频二钲被凋节到比泵；光频二笨低，儿两肯频率羞近似等于光纤的布罩渊频移。

12、探洲比个频率厂卅可变的：弦信号进行幅度调制，对每个确定的信号频率值，光乜探测器分别检测探测光嗣象浦光的光强，光电探测器的输信号输入到网络分析仪，山网络分析仪计算：光纤的基带传输函数。网络分析仪输出信号经模数转换后进行快速傅立叶反变换，其输出信号（）中即包含了沿光纤轴向的温度或应变分布信息。对传感技术研究较多的主要有德国的等人，但由于系统复杂，且对被测光纤所处环境要求高，所以对（）？的研究相对比较少。本文的主要研究内容在传感系统中，因为用于脉冲调制的电光调制器（或声光调制器）的消光比有限，在系统中将存在泄漏的连续光，该泄漏光必然会参与到系统中的布罩渊散射过程中去，并对系统性能产生影响；泄漏光与脉

13、冲光产生的自发布罩渊散射的相吒作用是一种效应，由于命罩渊强度和频移都是温度和应变的函数，因此有可能利用系统中的信号进行温度和应变的传感，特别是，与自发布罩渊散射信号相比，信号的信噪比高，可获得更高的测鼙指标，因此，可以提高系统的测量精度和空问分辨率，对探讨提高自发布里渊散射分布型光纤传感系统性能的新方法、新途径具有相当大的参考价值，值得深入研究。本文主要研究）系统中效应的产牛机理，并对效应的传感应用进钉：探讨。在深入研究和单渊散射分布型光纤传感原理的基础上，主要在以下几个方面进行深入的研究。）研究布罩渊分御型光纤传感技术的原理、特点以及发展概况。）研究布旱渊散射的基本原理，解明系统中效应的产生

14、机理及其对系统性能的影响，并进行数值仿真。，）理论分析光纤的布罩渊散射特性，包括钿牡渊的频移和强度与温度、应变的关系，对光纤温度或心变变化时的频域和时域波形进行数值仿真。）探讨，）系统效应的传感应。根捌课题的研究进度和实验条件，充成搭建传感系统的部分实验：作。第二章光纤布里渊分布型传感原理光纤如罩渊散射理论是向罩渊敞射分巾型光纤传感技术的壁础。本文主要研究基的分布型光纤传感系统，所以本章中将对光纤句旱渊散射效应原理，特别是对受激布里渊散射（）效应有关原理和实验进行详细地介绍，并介绍系统的传感原理。光纤散射光散射星光在介质中传播过程时发生的一种普遍现象，是光与物质相互作用的一种表现形式“。从量子

15、理论的观点来看，光散射是由光子与微观粒子发生碰撞所引起的。碰撞的结果使入射光子散射成为个能量或方向与入射光于不同的敞射光子，相应在微观粒子的能量和动量都发生变化，并遵循能量守恒和动量守恒定律。在散射过程中，散射光图光敞射示意图在强度、方向、偏振态乃至频谱上都有可能与入射光有所不同，如幽所示。光波在光纤中的传播过程叶产生的散射主要有三种：瑞利散射、柿里渊散射和拉曼散射，这三种散射光信号的频谱分布如图所示：强度图光纤中的光散射及频谱分粕）瑞利散射：瑞利散射是入射光与介质中的微观粒了发生弹性碰撞所引起的，散射光的频率与入射光的频率相同，是光纤强度罐高的散射光成分。）布掣渊敞射：如艰渊散射是光纤中的光

16、学光子干声学声子发生仆弹性碰撞而产小的，强度比瑞利散刺小，在波长巾单渊频移约为¨。）拉曼散射：拉曼敞射是光纤叶的光学光了和光学声予发，非弹性枷撺而产生的，强度比如啦渊救舅小个数量级。华北电力大学硕十学位论文在图所示光纤背向散射频谱分布图中，激发线（）两侧的频潜是成对出现的，在低频侧频率为一（为散射谱线与¨的频差）的散射光为斯托克斯光（）；在高频侧频率为“的散射光为反斯托克斯光（），卸里渊散射和拉曼散射同时包括和。在自发布早渊散射情况下斯托克斯光和反斯托克斯光的强度相当。布里渊散射光波与声波在光纤中传播时相互作用而产生布里渊散射的过程，在不同的条件下，分别以自发散射和受激散射

17、两种形式表现出来“”“，下面分别对自发布里渊散射（）和受激布里渊散射（）进行介绍。自发布里渊散射自发布里渊散射过程如图所示，为简单起见，仅给出了散射过程。泵浦光敞射光册声波图自发布里渊散射过程示意图可从力学和量子物理学两个方面介绍自发却里渊散射过程。）根据力学上的经典理论：在入射光功率不高的情况下，光纤材料分子的布朗运动将产生声学噪声，当这种声学噪声在光纤中传播时，其压力差将引起光纤材料折射率的变化，从而对传输光产生自发散射作用。同时声波在材料中的传播将使压力差及折射率变化呈周期性，周期性结构运动导致散射光频率相对于传输光有一个多普勒频移，这种散射称为自发却里渊散射。）根据量子物理学理论：一个

18、泵浦光子转换成一个新的频率较低的光子并同时产生一个新的声子；同样地，一个泵浦光予吸收一个声子的能量转换成一个新的频率较高的光子。因此在自芨布早渊散射光谱中，同时存在能量相当的斯托克斯和反斯托克斯两条谱线，其相对于入射光的频移大小与光纤材料声子的特性有直接关系。华匕电力人学硕十学位论文受激布里渊散射原理节所讲的自发布里渊散射可以看作是一种在泵浦光功率不太高的情况下所产生的一种非线性自发光散射过程。由于构成光纤的硅材料是一种电致伸缩材料，当大功率的泵浦光在光纤中传播时，其折射率会增加，产生电致伸缩效应，从而导致大部分传输光被转化为反向传输的散射光，产生另外一种布里渊散射过程，即受激布里渊散射。蚺”

19、，一泵浦光潞凳、，惹，蠲敷翘錾，蠢一、禽禽忑二相互作川与电致伸缩效应图受激布旱渊散射过程示意图光与泵浦光的相互作州声波受激布里渊散射是光纤中一种重要的受撇非弹性散射，散射过程显示了很强的受激特性：散射的强度高和方向性强。而且，还显示出散射与分子等体系中特殊的激发有关的特殊性质。物质激发对应于介质中的声波激发，这种声波激发与介质中的密度变化直接有关，它起因于介质中的电致伸缩或吸收效应”。所谓电致伸缩效应，是指介质在外电场存在时，山于能量变化，使得有电场的区域受到压缩，导致密度增大，而密度的增火又会引起介电常数的故变。介质中运动声波的存在最终导致有频移的的产生。山十螋介质具有很商的增益系数，因此在

20、实骑巾易。抉得强的向输出。泵浦光存光纤中传播时，其自发布单渊敞射沿泉浦光，匕【！人。硕。？似论文卡反的力。向传播，当泵浦光的曲！曼增人时，发衙川！渊敝射的强度增，增人到定样瞍时，反向传输的（）光乖¨泵浦光将发小涉作川，产，较强的十涉条纹，使比纤局部折射率人人增。这十羊于乜致绗效近就会产生个声波，声波的妞乍将激发出更多的币哩渊敞射光，同时，激发水的敞射光又使声波加强，如此十作用，产生很强的。棚埘于光波而毒，波的能量町以忽略，因此在考虑声波的情况下，过程丌以概括为频率高的象浦光的能量向频率低的光转移的过程。这样，受激布甲渊散射可以看成是伍仪彳泵浦光存在的情况下在电致僻缩材料中传播的光经历

21、了一个光增益的过程硭引。在受激布罩渊散射中，虽然理论上反斯托克斯和斯托克斯光都存在，一般情兑卜只表现为斯托克斯光。样，在量子力学中，这个散射过程可看成是个泵浦光子的湮灭，同时产生了个光子和一个声频声子。由于在散射过程中能量和动量必须守恒，则三个波之间的频率和波矢有以下关系；。，（）式中，和分别为泵浦光和光的频率，和，是泵浦光和光的波欠，声波频率和波矢。满足色散关系，矗，。一知。（）（）式巾，口为泵浦光与光之的央角，并且利用了，的关系。式（）表明，光的频移与散射角有关，更准确地说，在后向（石）有最大值，往日，向（口）为零。在单模光纤中，只有后向为相关方向，因此，仅发生：后向，且后向布罩渊频移为心

22、，口一万一，。（）式（）中，利用了驯，以为在泵浦波处的折射率。若取二，行，则对于石英光纤，在。附近，。尽管式（）预测布肇渊散射仅在后向发生，稚：光纤中自发布罩渊散射在前向也能产生，这是由于声波的波导特性削弱了波欠选择规则，结果前向产生了少量的【）光，这一现象称为传导声波佰罩渊散射。实际上，频谱在（）频移范围内表现为多鼋线，由于它非常弱，特别的是，它不携带分布犁传感需的位置信息，本文再进步讨论。阈值阑值特性是的。霞要特性之一，即仃肖入射激光强度超过一定的激励闽值所，。会发生。的闽值泉浦功率是指输的斯托兜斯光功率！孑泉浦光功率卡等的输入端泵浦光功率，此可得到发乍和：临界泉浦功率，处的命咀渊闽值计华

23、匕力人硕卜节节论文解公式为弘薏仃（），廖为撕州！渊增益峰值，爿啊为仃效纤芯截面秘，够赴光纤的彳效作用长度，其计算公式为啊【一（一吐）】口（）式中，是光纤长度，口是光纤衰减系数。若波长，利用典型光纤的参数值：彳够。！，啊，口叫，则由式（）预测其临界泵浦功率只，约为。由于受激布罩渊阈值如此之低，因而使成为光纤中主要的非线性过程。式（）预测的阈值只是一个近似值，而在实际中，很多因素会造成有效靠罩渊增益降低。例如，当泵浦光完全无规偏振时，阂值增大；光纤掺杂浓度的径向变化会导致该方向上声速的微小变化，结果使闽值在一定程度上与制造光纤时光纤掺杂浓度的变化有关，光纤沿纵向的菲均匀性也会影响光纤中的有效缸罩渊

24、增益。在基于自发命罩渊散射的分布型光纤传感系统中，主要是利用自发布里渊散射柬实现传感。为了提高测量系统的信噪比，往往希望在不发生受激布旱渊散射的情况下在传感光纤中注入尽可能大的泵浦光功率，以得到尽可能强的自发布罩渊散射信号。对于不同的光纤，受激布罩渊散射阈值是不同的，因此，有必要对传感光纤的受激布罩渊散射阈值进行研究，以便确定系统适当的入纤功率。根据背向散射光丌始迅速增加或者传输光丌始出现饱和时的入射光功率可作为阈值的定义。特别说明的是，利用上述对阈值的定义柬划分传感光纤自发和受激白罩渊散射过程具有很大的误差，因为在自发布罩渊散射过程中，严格地说，斯托克斯和反斯托克斯光的强度应该是相当的，在注

25、入光功率约为时，就已经出现了斯托克斯光强度远大于反斯托克斯光强度的现象，这说明光纤中已经发生了受激布罩渊散射过程。因仳，利用上述给出的在通信中适用的受激布罩渊散射阈值的定义柬确定传感光纤的入纤功率不是一分恰当，需要根据实际系统具体参数山实验进步加以确定，以保证传感系统测最同时具备准确阽和有效性。阈值的测量传统的测镶：闽值的方法足采用对光纤的传输光和邓散射光的测量来确定其火小，得到传输光功率、辛外激射光功率入射光功率之的关系。受激以艰渊敞射闽值测量系统如图所示。激光器选用公¨一一（）人，波变、，导体激光器，连续光输助牢约为。渊衰减器的衰减范为：；。光功牢计选用武汉奥林特光乜设备彳限公；

26、）：，钽光助二年汁，功率测髓范川为一（）十。首先将，渊衰减器的衰减凋剑最人，然后打：激光器，通过叮渊轾减器和耦合器将一连续供汴入剑光纤，用光功率计：位臀处测量光纤的传输光助二簪、位置处测量入射光功牢、位置处测量散射光功率。通过可调衰减器调节汴入剑光纤中的光功率，实现受激行单渊散射阂值的测量。光纤墨横蠢泉铎迎图阈值测量系统框图入射光功率以图传输光、背向散射光与入射光功率之日的关系碟哥藩涩法娶坍专采对匕纤的传输光和亨阳散射光进行测醚的方法叮以确定闽值的人小。选川（；光纤作为被测光乡，绘出传输光功率、早子向散射光功率入射光功棼之的火系曲线，如图所玎：。图可见，随着入射光的增加传输光功牢迅速变火，地：

27、与入射光功率超过后，传输光观了饱和的趋势。背向散射光随着入射光的增缓慢增，似入射光功率附近时，背旬散射光功率丌女厶迅速增加。袱捌散射光：始迅速增或者传输光：始：现饱和时的入射光功率即为受激和！渊敞射阂值的定义，可以得剑（；光纤的闽值约为。使十的厅法测得大有效面积光纤（；的阈值约为。类型光纤中的效应依传统理论可分为两种类型。州：）如果只有泵浦光注入光纤，那么光将在光纤中通过热激发噪声波引发的自发邻罩渊散射而产生，并被不断放大，当泵浦光超过阈值时，就形成，可以把这种情况叫作噪声起振，即所谓的发生器情形。）如果在泵浦光作用的同时，还持续作用着一束与泵浦光反向的光，这种情形可叫作种子光辅助起振，即所谓

28、的放大器情形。传统的分类忽略了泵浦光与其反射光的相互作用。实际上，当高功率泵浦激光入射到光纤时，反射光是不可避免的，并且沿泵浦光的光路反向传播，按照傅罩叶分析，反射光罩必包含着具有种子光频率的振荡成分，这些成分和泵浦光相互作用，形成一种特殊的振荡过程，可称之为自供种子光模型过程。，下面通过耦合波方程组对过程进行简要的说明。效应可以用一个含时的三维非线性偏微分方程组来描述。州，但就目前理论的发展水平而言，直接对其进行解析求解是不可能的，所以人们发展了各种不同的近似方法和数值计算方法。根据泵浦脉冲宽度与声子寿命的大小关系相比较，又可分为以下两种。州：）瞬念的耦合波方程组由于光纤中的声子寿命为

29、67;，一般当泵浦脉冲宽度为几十纳秒或更小时，即声子寿命与泵浦脉冲宽度具有相当的数量级，则不能忽略光场振幅的时间变化，应该将光纤中的布罩渊散射过程作为瞬态过程来处理。这种情况下描述光纤中效应的理论称为瞬念理论。根据瞬态理论，泵浦场和场由麦克斯韦（）波动方程描述，光纤中的声波场由纳维一斯托兜斯（）能鞋传输方程给出，略去频率为零及：倍频光场项，认为它们对白取渊共振激发起作川，并利用慢变振幅。瞬态盼近似可表匀÷成由个含时力样组成的祸合波办利组，怂堆二沁“改进的；数学模型，即华北力人硕卜沦艾（）。式口、，和分别表示泵浦光、光、声波场振幅；打表示声子衰减系数，为声子寿命；，和：代表过程的声光祸

30、合系数；咒为光纤折射率；为真空光速；口为光纤衰减系数。式（）可采用有限差分方法编程进行数值求解。“¨，由于方程组的求解过程十分复杂，此处不再赘述。）稳态的耦合波方程组当泵浦脉冲宽度比声子寿命大很多时，比如泵浦脉宽达或更宽，过程随时日变化不大，这样可以近似认为泵浦场、场和声子场的振幅是不随时问变化的，这种情况称为稳态理论。在稳念或缓变情况下略去时间导数和空间二阶导数项，消去方程中声波场变量，考虑到声波频率比光波频率小很多，则有，因此，可将光场振幅的耦合波方程组改写为鲁一蒜三旌警一蒜一扛）其中盯彩七？拥风，钮罩渊线宽；七，与声子寿命的关系为。若采用光强，一门蚓！妨，可由式（）得到泵浦光，

31、和。光，的强度耦合方程冬咄一谢云一口。刊（）一九捌其中，：；风。）为稳念增益系数。式（）叮知，入射光强沿进力阳逐渐减弱，晰反斯托兜斯散射光则沿入射光前进的方向传播而逐渐增强，这种增姒作用化比：入射光强。二本文：婴研究脉冲宽度在（）以：的（），系统中的郫效粒，冈此町以利川稳态胖沦，后义所述受激前卑渊散射均属稳念理论的范畴，不特别说明。本文在第一秘将详细介放人器情形的效避原理。墟啦如轧一一舻艘啪以乳户户一盟硼盟巾一赴一把一砸分布型传感系统原理测量原理捧（），的分命型传感原胖如划所示，要实现分自弘传感力能需要对被测量点进行定移，并对散射光的强度或频牢进行测量，下伯允介乡“一下系统。图基于的分布型传感

32、原理散射点的定位脉冲光在传输的同时，不断产：背向瑞利散射光，由时钟电路计算入射光和接收到散射光的时问差，可实现散射点的定位。假设在时刻，脉冲光入射到光纤，经过时问，存发送端接收到散射光，则光传播的距离为一（以）×（）其中，为真宅中的光速，为光纤的折射率。散射光沿与入射光相同的路线返，则散射点所处的化霄为刀（一）这样便实现了散射点的定位。散射光功率的测量假设存理想情况下，光纤结构均匀且没有受到外界调制作】，可以认为光纤的吸收损耗和散射损耗系数均为常数，此时光在光纤中的功率叮表示为（）一（）卜（，口。）】（）式，只（）为散射点的象浦光功率；（）为入射端的光脉功率；为散射点斟入射端的距离；

33、口，为散射拟牦系数；，为吸收损耗系数。此以得到散射点的一敝射光功率为织（），弓（）扣口，啤（）【（，口。）即（一）式，为肯阳括捉系数。对：均匀的模光纤，背向捕捉系数为常数。所以在没彳外凋制的情？兕卜散射光功率警指数规律、，汴卜降。然面，祚：实际光纤系统，由光纤结构的均匀或仔舀：熔接点、动连接器等，使散射强度曲线般如图所示。散射强度距离图基于的背向散射波形由图可以看出，每段光纤都按指数规律平滑衰减，当遇到活动连接器或光纤始端、末端时会产生较大的端面反射，并产生损耗，遇到熔接点会产尘熔接损耗，使散射强度突然下降。散射频率的测量布罩渊散射频率与光纤的温度和应变有关。如何获得布罩渊散射信号的频率信息是

34、传感系统中非常重要的问题。目前布罩渊频移的测量主要采用光域外差¨或电域外差方法，调整命罩渊散射信号中心频率，或调整本振信号的频率，以改变本振与散射信号的差频信号的中心频率，使不同频率成份的信号依次通过带通滤波器，得到一一系列的测试曲线，达到对整个信号谱进行扫描的效果。然后拟合沿光纤分布的每个点的测试结果，找到幅度最大点对应的频率，则该频率即为该点的卸旱渊频移。传感系统测量原理（）系统利光纤后向散射的门发确驰渊散射信号代替，的瑞利散射来实现测量。）通过测量得到光纤传输损耗和择种结构缺陷引起的结构性损耗，并示损耗（散射）度的关系求测毓外界场分缸于光纤：的扰动信息。它利用光纤的背向前罩渊散

35、射频率和强度对此乡所受应变和温度十分敏感，而彳丁较好的线性关系，对被测对象进行分布刑实时临摔。于自发和罩渊散射光的灵敏忭，冈匕，人硕：。学侮论文它的测；建精度很高，粒叟的测砒精度达“数龄级：它；舷埘光纤进行加：，集乏输传感一：一体，测试货川氏：它，需对光纤沿线返的如渊散射光信号进：处叫！叮，可实现距离分自掣测篷。测量方案订，在基于的分自¨光纤温度、应变传感系统叶，依检测方法的不同可分为良接检测和外差检测两种方法，并具有不同的信噪比性能。（）直接检测方案图釜一直接检测的佰晕渊传感系统原理框图基下自发布罩渊直接检测原理框图如图所示。在该系统中，脉冲光通过定向耦合器入射到传感光纤中，由，】

36、：背向散射光同时包含瑞利散射和布罩渊散射，而且瑞利散射比命罩渊散射大约，使得布罩渊散射完全淹没在瑞利散射之中，并且包含很强的瑞利相干噪声，所以在进行光电检测前必须用光滤波器滤除瑞利散射光，再进行检测处理。采用直接检测，需要将微弱的夼罩渊散射从背向散射中分离出来后才能实现自发仃罩渊散射信号的测量。利刖法伽翟一珀罗干涉仪可实现布罩渊散射与瑞利散射的分离，但法命罩一珀罗干涉仪所，入的插入损耗较大，超过，给本来就很微弱的信号带柬很大的衰减，对提五譬感精度、减小测量时间不利心心刚¨们。¨。为了克服这螋缺点，等人提的基于马赫一曾德下涉仪检测系统的靠罩渊分御犁湍度、应变传感系统，婴利川伞

37、光纤马赫一曾德干涉仪的窄带滤波特性来实现自！渊放射与瑞利散射的分离以及自罩渊散射信号频率的检测，从而实现布艰渊传感。¨帅。（）外謦检测方案占：发衙罩渊外筹榆测的；（）传感系统原删框图如罔一所示。该力案，按检测方案的主要区别办：光源发出的光被定向耦合器分成两部分，部分儿人硕一论文乜光调制器调制成脉冲光后入射剑化感光纤，另一部分作为奉振光，与散射光起入射到光包检测器上进行外芹怜测。）（的簟频分遥中他含瑞利散射噪声，不必在检测订进：滤波¨¨¨¨。小结图外差检测布罩渊传感系统原理框图本章详细论述了布罩渊散射的基本理论，着重介绍了光纤中效应的基本原理、阈

38、值、类型等，并测量了单模光纤阈值；讨论了光纤中泵浦光场、斯托克斯场和声子场相互耦合作用产生受激佰罩渊散射的机理和过程，给出了描述受激命罩渊散射的耦合方程，并分稳态和瞬态情况作了较详细的分析讨论。简要介绍了分布型传感系统原理，传感系统原理以及传感方案等。此人学坝：论文第三章系统中的效应拍）。传感系统，划为州二脉冲凋制的光渊制器的消光比有限，在系统将存作泄漏的连续光，该泄漏光必然会参与到系统，的斫渊散射过程中去，；对系统性能拉尘影响。本章将详细介绍系统中隅效应的产生机理，并通过对和啭渊信号时域波形的仿真末验证系统中效应理论的币确性。研究背景李永倩等人对基于全光纤马赫一曾德干涉仪的自发御肇渊分布型光

39、纤传感系统进行了深入研究引，传感系统基本框图如图一所示。洲加热光纤光栅瓢孑厨虬幽耦合器传感光纤薪翻糯器：声光调制器：掺饵光纤放人器：布啦渊信号：瑞利信号：舣通马赫一曾德干涉仪：乐电陶瓷圆筒：光电检测器：放人器图基于马赫一曾德干涉仪的温度传感系统框图图一所示的系统中，背向散射在不经过干涉仪分光前，信号幅度很大，其中主要是瑞利敝射和光纤端面反射，布罩渊散射信号完全被淹没在背向散射中，通过马赫一曾德二涉仪分光后，在布罩渊信号输出端，瑞利散射得到了抑制，从背向散射信号中将微弱的，发佰罩渊散射（）信号分离出来，即可得到自发自艰渊散射的时域反射波形。如粜光纤的温度条件发生变化，就可通过与温度的相！关系实现

40、分布型温度传感。实验，传感光纤是两段熔接而成的，总长艘为，。泵浦脉冲光的重复频；簪为，脉冲宽度为（），对应的空兀分辨率为。激光器的输出功二红为，掺饵光纤放人器（？）泵油激光器的驱动乜流叮凋，光电检测器带慌乃（）。器华北电力入学硕十学位论文在利用图所示的传感系统对自发御旱渊散射时域波形进行测量的实验研究过程中，观测到了一些不同于一般系统波形的现象，抑制瑞利散射后在室温无应变变化条件下测得的典型时域波形如图至图所示。图是使用单端入射方式并抑制了瑞利散射的时域波形，即普通的波形。从图中可以看出，曲线并未呈现出典型波形的衰减分布，而在后端却呈现出上升趋势，考虑到瑞利散射已经被抑制掉，而拉曼散射强度量级

41、很小，显然造成曲线后端上升的原因不是因为拉曼散射，经过深入分析，此时系统中是因为产生了效应，才使得曲线后端呈现出未衰减反而逐渐上升的现象，本章节将详细阐述产生图中处所示的曲线上升现象的原因。此时，已经无法正常检测带有被测场分布信息的自发布里渊信号，图中所示波形为自发布里渊散射和受激布里渊散射并存叠加的波形。；光骊皿议舸，护，±；±±光绢：始端反射÷÷÷。一÷图驱动电流为时的图驱动电流为时的波形波形进一步增大放大器的输出功率，在两段光纤的熔接处存在明显的熔接损耗，后端出现明显上升趋势，由于泵浦光的衰耗，使大部分能量转移到斯托克

42、斯光，布里渊增益呈现出饱和状态。图驱动电流为时的波形光纤始端反射。熔妾点、。干！？矗。？一二一，；：夕÷±图驱动电流为时的波形扣莹缸飞悄寸；接¨煦：蕊一始¨一龄幂；华北电力人学硕士学位论文图驱动电流为时的波形一一童一鬻：需耋莲干涉图驱动电流为时的波形受激布里渊散射是单模光纤中最容易产生的非线性效应，阈值比较低，一般光纤放大器的输出功率都达到了的阈值引，此现象的发生是由于系统中产生了效应，能量发生了转移，使得波形发生畸变，如图至图所示。图至图中处所示，在入射端附近产生了效应的驰豫振荡，斯托克斯光的强度并不是单调地接近其稳态值，而是表现为周期性驰豫振荡。在入

43、射端附近，斯托克斯光的迅速增大消耗了大量泵浦波，导致增益下降，直到泵浦波的消耗部分通过光纤，增益彳重新恢复，以上过程重复进行而形成了振荡；造成曲线处现象的原因与处不同，图至图中处附近所示是因为布里渊增益早已达到了饱和状态。上述图至中的处和处以及光纤前端的干涉等现象的产生将对基于自发布里渊散射分布型光纤传感的测量带来负面影响，使得在进行有用信号的处理时发生错误，不能准确提取出带有被测温度或应变场分布信息的自发布罩渊散射信号，通常中的效应是作为有害因素来排除的。然而，由于图中处信号强度较大且呈上升趋势，有可能对提高系统的传感性能大有裨益阳们。因此，解析图至中所示现象，深入研究系统中的效应及其传感应用具有重要意义。理论分析深入研究系统中的效应，发现系统中效应的产生原理与系统中的效应原理在本质上是一直的，为了解