（光学工程专业论文）基于potdr分布式光纤传感器的若干问题研究.pdf

书 8 6 4 3 1 北京交通大学硕士学位论文学生:蔽贤子导师:吴重庆 摘要 偏振敏感光时域反射计 ( p - o t d r )是通过检测光纤中的偏 振态变化来达到分布式光纤传感目的的一种传感技术。我们知道 光纤中的偏振态变化实际上是一种相位 卜 的变化，因此这种传感 机制是非常灵敏的， 它可以感知( yt d r 感觉不到的微小外界温度或 应力的变化。然而，正是由于它对外界环境非常敏感，一些轻微 的影响可能造成光纤中偏振态的不稳定。而且在测量光纤中的偏 振态分布的时候还需要旋转 p - o t d r实验系统中的偏振控制器、 起偏器、检偏器等装置，这些装置本身的调节是否会带来系统的 不稳定是我们非常关心的问题。如果实验器件的调节带来光纤中 偏振态的不稳定，那么用这个系统装置检测光纤中的偏振态变化 是没有意义的。 除此之外， 系统中各种噪声， 如激光器的热噪声、 e d f a的自 发辐射噪声和光信号接收器件的噪声等影响了系统的 分辨率和检测信号的信噪比，提高检测信号的信噪比 和系统的分 辨率并从实验数据中提取出偏振信息也是我们必须解决的问题。 本文围绕实验中偏振态的稳定性、提高系统分辨率和检测信 号的信噪比、偏振信息的提取几方面作了如下工作: 1 ，介绍了o t d r 的基本原理， 用途及其主要性能参数， 并在o t d r 的基础上介绍了p - o t d r实验装置，详细研究了p - o t d r的 两个重要用途: 测量光纤中的偏振态分布和分布式光纤传感， 推导了光纤中的偏振态分布。 2 .对偏振态的稳定性进行了实验研究，对实验器件调节过程中 遇到的一些现象做了分析，保证了实验系统的可行性。 3 .通过计算机模拟和实验两方面分析了影响系统分辨率和检测 信号信噪比的因素，首次在 p - o t d r分布式光纤传感技术中 引入了解卷积的信号处理方法。通过对解卷积前后的理论分 析和实验结果比较，a明了这种处理方法可以在不压窄输入 脉冲宽度的情况下有效的提高系统的空间分辨率。 4 .利用 v b进行数据采集 卜 的编程工作，对实验信号进行实时 显示、数据采集，并完成了数字平均、指数拟合、解卷积等 各种信号处理的程序。 5 .对实验系统中及信号处理过程中的一些误差因素作了分析。 关键词: 偏振敏感光时域反射计 ( p - o t d r ) ， 光纤传感， 分布式， 瑞利散射，偏振态 ( s o p ) 宋经作并、 导奸狡 含 勿个飞 叹令 衍 北京交通人学倾 卜 学位论文 学生:策贤了v师:吴取庆 ab s t r a c t p o l a r i z a t i o n s e n s i t i v e o p t i c a l t i m e - d o m a i n r e fl e c t o m e t e r ( p - o t d r ) i s a k i n d o f d i s t r i b u t e d s e n s o r w h i c h m a k e s u s e o f i n s p e c t i n g t h e s t a t e o f p o l a r i z a t i o n ( s o p ) i n fi b e r f o r s e n s i n g . a s w e k n o w n , t h e c h a n g e o f s o p i n f i b e r i s a c t u a l l y a r o u s e d b y t h e c h a n g e o f p h a s e , c o n s e q u e n t l y , t h i s s e n s i n g m e t h o d i s v e r y s e n s it i v e a n d i t c a n f e e l v e r y l i t t l e i n fl u e n c e o f e x t r a t e m p e r a t u r e o r s t r a in . h o w e v e r , j u s t d u e t o i t s s e n s it i v e p r o p e r t i e s t o e x t r a e n v i r o n m e n t s , s o m e t in y e ff e c t m i g h t a r o u s e t h e i n s t a b i l i t y o f s o p i n f i b e r . i n a d d i t i o n , d u r i n g t h e c o u r s e o f d e t e c t i n g s o p i n f ib e r , o n e h a v e t o m o d u l a t e t h e p o l a r i z a t i o n c o n t r o l l e r , p o l a r i m e t e r o r o t h e r e q u i p m e n t e t c . wh e t h e r t h e c h a n g e o f t h e s e e q u i p m e n t s w i l l h a v e e ff e c t o n t h e i n s t a b i l i t y o f s o p i n f i b e r i s a n i n t e r e s t e d p r o b l e m . i f t h e s e c h a n g e s a l t e r t h e s t a b i l i t y o f s o p i n f i b e r , it i s n o s e n s e t o in s p e c t i n g t h e c h a n g e o f s o p i n f i b e r u s i n g t h i s s c h e m e . i n a d d i t i o n , a l l k i n d s o f n o i s e i n s y s t e m s u c h a s h o t n o i s e o f l a s e r , a s e n o i s e o f e d f a o r s o m e n o i s e c o m i n g fr o m o p t i c a l r e c e i v e r e t c d e t e r i o r a t e t h e s i g n a l - t o - n o i s e ( s n r ) o f t h e s i g n a l s a n d s p a c e r e s o l u t i o n o f s y s t e m s . i m p r o v i n g t h e s n r a n d s p a c e r e s o l u t i o n a n d e x t r a c t i n g t h e s o p i n f o r m a t i o n a r e a l s o t h e p r o b l e m s w e h a v e t o f a c e . f o c u s o n k e e p i n g s t a b i l i t y o f s o p i n f i b e r , i m p r o v i n g s n r o f s i g n a l , e n h a n c i n g s p a c e r e s o l u t i o n o f s y s t e m a n d e x t r a c t i n g s o p i n f o r m a t i o n f r o m d a t a , t h e p a p e r d o s o m e w o r k a s f o ll o w s : 1 . t h e p a p e r i n t r o d u c e d t h e p r i n c i p le , p u r p o s e a n d p a r a m e t e r s o f o t d r . o n t h i s b as e , i t i n t r o d u c e d t h e e x p e r i m e n t e q u i p m e n t o f p - o t d r a n d s t u d y t w o i m p o r t a n t u s e o f p - o t d r : o n e i s u s e d f o r i n s p e c t i n g t h e s o p d i s t r i b u t e d o f fi b e r a n d th e o t h e r i s u s e d f o r d i s t r i b u t e d f i b e r s e n s i n g . a t l a s t , i t d e d u c e d t h e s o p d i s t r i b u t e d o f fi b e r i n t h e o r y . 2 . t h e p a p e r s t u d i e d t h e s t a b i l i t y o f t h e s o p in fi b e r t h r o u g h e x p e r i m e n t a n d a n a l y z e d s o m e p h e n o m e n a a p p e a r e d d u r i n g a d j u s t o f e q u i p m e n t . a l l t h e s e e x p e r i m e n t e n s u r e d t h e f e a s i b i l i t y 万 o f t h e s y s t e m . 3 . t h r o u g h c o m p u t e r s i m u l a t i n g a n d e x p e r i m e n t , i t a n a l y z e d s o m e f a c t o r , w h i c h i n f e c t t h e s n r o f s i g n a l a n d s p a c e r e s o l u t i o n o f t h e s y s t e m . t h e p a p e r h a s l e d d e c o n v o l u t i o n m e t h o d i n t o t h e s ig n a l 北京交通大学硕士学位论文学生:董贤子导师:吴重庆 p r o c e s s i n g o f t h e p - o t d r d i s t r i b u t e d o p t i c a l f i b e r s e n s o r f i r s t l y . c o m p a r e d w i t h u n - d e c o n v o l u t i o n r e s u l t s , t h e d e c o n v o l u t i o n m e t h o d c a n i m p r o v e t h e s p a c e r e s o l u t i o n o f t h e s y s t e m e ff e c t i v e ly w i t h o u t d e p r e s s i n g t h e d r i v e p u l s e w i d t h . p r o c e d u r e o f d a t a c o l l e c t i o n c a r d h a s b e e n p r o g r a m m e d u s i n g v b a n d t h e p r o c e d u r e a l s o r e a l i z e d t h e r e a l t i m e d i s p l a y , d a t e c o l l e c t i n g a n d s o m e s i g n a l p r o c e s s i n g w o r k . a t l a s t , t h i s p a p e r a n a l y z e d s o m e e r r o r f a c t o r i n e x p e r i m e n t s y s t e m o r i n s i g n a l p r o c e s s i n g m e t h o d s . k e y w o r d : p o l a r i z a t i o n s e n s i t i v e o p t i c a l t im e - d o m a i n re fl e c t o m e t e r ( p - o t d r ) ; o p t i c a l f i b e r s e n s e ; d i s t r i b u t e ; r a y l e i g h s c a tt e r i n g ; s t a t e o f p o l a r i z a t i o n ( s o p ) 北京交通大学硕 卜 学位论文学生:董贤子导师:吴重庆 笆 一 音螃 拾 沪 产. 甘一 刊一一 目vu 1 . 1课题提出的背景及意义 传感器技术是现代测量技术和 白 动化技术的重要基础之一。 从宇宙探索到海洋开发;从生产过程的控制到现代人类的文明生 活，几乎每一项现代科学技术都离不开传感器。在工业、农业、 国防、科学等各领域中传感器技术都得到了广泛的研究，并展现 着极其广阔的应用前景。 传感器是一种为了代替人和生物的感觉器官并扩大其功能而 设计制作的装置。然而，人和生物体的感觉有两个截然不同的侧 面:一是物理上的侧面，即检测对象的有无或者检测变换对象发 出的信号;另一个是有关信息的侧面，或者说智能的侧面，即不 仅是检测，而且进行判断、鉴别对象的状态。前者称为 “ 感知， ， 而后者称为 “ 认知” 。 对有确定定义的物理量而言， 在精密计量空 间的单点状态上，传感器比人的感觉器官精确得多。但是，在感 知这种物理量后， 建立数学模型并掌握其空间分布状态上( 特别是 难以 模型化的复杂状态) ，目 前的传感器远不及人或生物体的能 力。这是因为，对于这种检测，不仅有检测和变换的一面，而且 与认知和辨认相关的智能侧面起着重要的作用。因此，传感器的 智能化是其必然的发展趋势。 近期，分布式光纤传感技术取得巨大进展，对智能结构实用 化起到了关键性的促进作用。分布式光纤传感技术是应用光纤几 何上的一维特性进行测量的技术， 它把被测量作为光纤长度的函 数，可以在整个光纤长度上对沿光纤儿何路径分布的外部物理参 量进行连续的测量，为工业和研究领域提供了同时获得被测物理 参量的空间分布状态和随时间变化信息的手段。分布式光纤传感 器还可用于制造智能飞行器、 智能桥梁、 高速公路、 重要建筑等， 成为它们的变形测定器和对将受到的损伤发出早期报警。 科学技术发达的国家都非常重视传感器技术的研究与应用。 在日 本， 传感器技术被列为六大核心技术 ( 计算机、 通信、 激光、 半导体、超导和传感器)之一。 英国航空宇宙工业公司最近研制成一种智能飞机机翼，即在 机翼上嵌入直径为0 . 1 2 5 m m 的敏感光纤，使机翼成为有感觉的结 构，在飞机中可自 动检测其关键位置上的应力、应变和温度，而 北京交通大学硕 卜 学位论文 学生: 策贤子导师:吴重庆 不采用传统的应变计和温度传感器。 1 9 8 3 年中国召开了光纤传感器第一次全国会议。在 “ 七五， 规划中提出了 1 5 项光纤传感器的研究项月。 目前的研究主要由各 高等院校和研究所承担。一些专家学者例如廖延彪等人对分布式 光纤传感器有了较深入的探讨， 提出了多种传感器方案及改进措 施，为我国光纤传感器的发展做出了突出的贡献。 1 . 2国内外研究现状 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。本文取较通 行的分类方法可 分 为 点 式 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) ， s .s , s , s 激光器 光探测器 点式传感器阵列 s , s z s , s n 激光器 光探测器 积分式传感器阵列 激光器 光探测器 如图 ;二 习分布式传感器 图 1 . 2 - 1分布式光纤传感器 2 - 1 。 1 . 2 . 1 点式传感器 点式传感器 ( p o i n t s e n s o r ) 传感头几何尺寸较小，只局限于 检测一个很小范围的某一参量的值。 目前在智能结构中，光纤布拉格光栅传感器( f b g , f ib e r b r a g g g r a t i n g s 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。 i 匕 京交通大学硕士学位论文学生:蜚贤子导师:吴重庆 光 纤b r a g g 光 栅 传 感原 理 ” 2 【 : 根 据 光 纤 模 a 合 理 论 ( c m t ) ， 当宽带光在光纤光栅中传输时，将产生模式祸合，满足布喇格条 件的光被反射: 几= 2 o n e1l . 八 ( 1 . 2 . 1 ) 其中， a为光栅周期， 门 为有效折射率。 a和n ，都受外界环 境 影 响 而 发 生 变 化 a 和 n lrr ， 导 致 符 合 布 喇 格 条 件 的 反 射 波 长 发 生 移 位 a ll ， 由 布 喇 格 条 件 可 得 : 人= 2 . a n r, a + 2 ， n d j . d a ( 1 . 2 . 2 ) 该式表明，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 n -和a都会发生变化。应力作用下的光弹效应导致折射率变 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 1 . 2 . 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 凡。 包 含 负 载 信 息 的 光 波 被f b g s 反 射 ， 经 祸 合 器 导 入 光 谱 分 析 仪， 在 分 析 仪 中 可 检 测 出 h ， 从 而 确 定 待测量。 待测量 ( 温度或应变) 图1 .2 .2 光纤b r a g g 光栅 传感原理图 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 北京交通大学硕士学位论文 学生:董贤子导师:吴重庆 必须补偿的光纤连接和祸合器中的损耗，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。 1 . 2 . 2 积分式传感器 积分式传感器 ( i n t e g r a t i n g s e n s o r ) 测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 c 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 ry - 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 千 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o il ， 它的前身是 1 8 9 7年，法国 科学家 c .f a b ry和a .p e r o t 发明 的 多 光 束干 涉仪 结构如图 1 .2 .3 所示。 光纤f a b r y - p e r o t 传感器 它由三段单模光纤和两反射镜组成。两反射镜可镀介质模形 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。干涉腔长七 随应变而变化，两反射光的 相 位 差 必 也 随 之 变 化， 温 度 变 化 时 引 起 的 相 位 差 为 们 4 7 7 2 过 凡 (n a + a t )4 t ( 1 . 2 . 3 ) 凡为 工 作波 长， l 为 敏 感 部 分 光 纤 长 度， n 为 纤 芯 折 射 率， a 为 光纤材料的温度膨胀系数。 压力变化引起的相位差为 北京交通大学硕士学位论文 学生:览贤子导师:吴重庆 a o, 一 2i rl na. (一 2 (p 二 : 2)6, p z0 (1.2.4) ， 为 纵向 应 变， 只 为 径向 应 变 1 p ill p az 为 光 纤 材 料的 光 弹 系 数 用 干 涉 法 测出 碑, a 再后 即 可 求 出 平 均 的 温 度 t 变 化 或 压 力 变化 尸。 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 u m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， 即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，又能良 好的传光特 j性，但两光纤的准直不宜控制。 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分布式传感器 连续分布式传感器 ( 简称为分布式传感器( d is t r i b u t e d s e n s o r ) ) 可沿空间 位置连续给出 某一参量的 测量 值。 空间范围内某一参量沿构件空间位置的连续分布值。 它可给出大 对于智能结 构这是一种十分重要的传感器，也是目 前的研究热点之一。目 前 分布式光纤传感技术主要利用了光纤中的喇曼效应、受激布里渊 散射效应及瑞利散射效应。 1 、自 发 喇曼 效应的 分布式温度传感技术习 们 d a k i n e t a l . 0 提出 通过测量喇曼散射中的反斯托克斯光与 斯托克斯光强度比值，来达到携带光纤沿线的温度信息的原理可 进行温度测量，从而制成分布式光纤温度传感器。 基本原理为: 光通过光纤时， 光子和光纤中的光声子会产生非 北京交通人学硕 : 学位论文学生:谈贤了导师:吴重庆 弹性碰撞， 发生喇曼散射， 波长大于入射光的为斯托克斯光， 波长 小于入射光的为反斯托克斯光。 反斯托克斯光强 l a 与斯托克斯光 强 i s 的比值 r ( t ) 为: r ( t ) = 1 . / 1 . = ( a , / a . ) 。 e x p ( - h c u / k t ) ( 1 2 . 5 ) 式中: h 为普朗克常量: c 为真空中的光速: 。 为波数偏移量; k为波尔兹曼常量:t 为热力学温度。从式中可以看出，r ( t ) 仅 与温度 t有关， 而与光 强、 入射条件、 光纤几 何尺寸及光纤成分无 关。据此， 可以借助探 测反斯托克斯及斯托 克斯后向拉曼散射光 强的比值来实现温度 的绝对测量。图1 . 2 . 4 是该类传感器的基本 结构框图。 液氮 烘箱 图1 . 2 . 4 r a m a n 温度传感系统 采用斯托克斯光与反斯托克斯光的强度比可消除光纤的固有 损耗和不均匀性带来的影响。基于拉曼散射的分布式温度传感技 术是分布式光纤传感技术中最为成熟的一项技术。对该技术开展 研究 工作的 主要有英国 的 皇家 学院 ( k i n g s c o l l e g e ) ， 中 国 的重庆大学【， ， 和中国计量学院 10 1 。目 前 ， 该 类传感器的一些产品 己出现在国际、 国内市场， 最为著名的是英国y o r k 公司的d t s 8 0 , 它的空间分辨力和温度分辨力分别能达到1 m , l c , 测量范围为4 - 8 k me 自 发r a m a n 散射系统的主要缺点是其微弱的散射光信号，大 约为入射光的1 0 8 u u 。为了 避免 信号处理过程中信号 平均时m过 长，需要脉冲激光源的峰值功率相当高，从而严重地限制了系统 的性能。另外喇曼散射只能实现对光纤温度的测量。 2 、利用受激布里渊效应的分布式温度、应变传感技术 该技术最初是山日 本n t t 的i o r i g u c h i 等人 u 提出的。 基本 原理为: 光通过光纤时， 光子和光纤中因自 发热运动而产生的声子 会产生非弹性碰撞， 发生布里渊散射。 散射光的频率相对入射光的 频率发生变化 这一变化的大小与散射角和光纤的材料特性有关。 与布里渊散射光频率相关的光纤材料特性主要受温度和应变的影 响， 因此， 通过测定脉冲光的后向布里渊散射光的频移就可实现分 北京交通大学硕十学位论文 学生:奄贤子导师:吴重庆 布 式 温 度 、 应 变 测 量 。 光 纤 中 布 里 渊 频 移 v 。 主 要 由 入 射 光 频 率 v v 、 光纤介质折射率n 、光纤内声速 v 等决定 v ， 二 ( 2 v , / c ) n v ( 1 . 2 . 6 ) 共中， c为真空中光速。当光纤中的温度和应变发生变化时 光纤介质的折射率和声速会发生相应的变化， 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。 基于受激 b r i l lo u in放大结构的分布式光纤传感原理如图 1 . 2 . 5 ， 处于光纤两端的可调谐激光器分别将一脉冲光与一连续光 注入传感光纤，当两束光的频率差处于相遇光纤区域中的布里渊 增益带宽内时， 两束光就会在作用点产生布里渊放大器效应， 相互 p 发生能量转移。在对两束激光器的频率进行连续调整的同时， 通过检测从光纤一端射出的连续光的功率， 就可确定光纤各小段 区域上布里渊增益达到最大时所对应的频率差。所确定的频率差 与光纤上各段区域上的布里渊频移相等， 因此在光纤上与布里渊 频移成正比的温度和应变就随之确定。 图1 . 2 . 5 . 受激b r i l l o u i n 放人结构的分 布式光纤传感系统 受 激b r i i l o u i 。 散射系统显得比r a m a n 散 射系 统更加诱人 ， 该方法不仅能探测光纤中应变大小，还能探测应变沿光纤长度方 向上的分布。该传感技术所能达到的测量精度主要依赖于两台激 光器的调谐精度。它 所能 达到的测量精度、传感长 度和空间分辨 力高于其它传感技术， 目 前得到广泛的关注与研究。 加拿大的鲍晓 毅等人采用布里渊损耗的方式实现了长达 5 1 k m的传感一长 度 ， 并 在 近期实 现了。5 m 的空间 分 辨力川 。 德国 的g a r u s 也 提出了 一 种 基于频率域分析法的新型分布式光纤传感技术 11 ， 它同 样利用布 里渊频移来实现温度和应变的传感。 但至今世界上仍未见到一个基于受激 b r i l l o u i n 散射的分布 测温的商业化产品。这是因为该系统需要采用两台不同类型的激 光器， 其中一台需要具有全频域扫描， 因而对他们在波长 、 线宽、 北京交通大学硕士学位论文 学生:策贤子导师:吴重庆 谱线稳定度等方面要求极高。 再者， 光的偏振对系统的性能有极大 的影响， 必须采取偏振的调谐和控制措施， 这些在实际使用上都是 很复杂的。因此，受激 b r i l l o u i n 散射系统的实用化还需要经历 相当的发展阶段。 3 、利用后向瑞利散射的传感技术 这项技术最早是由r o g e r s 提出的， 基本原理如下: 由 于入 射光与介质中的微观离子发生弹性碰撞引起瑞利散射，瑞利散射 光的频率与入射光的频率相同， 即在散射点的偏振方向与入射光 的偏振方向相同， 利用瑞利散射的这个性质可制成p - o t d r 分布式 光纤传感器。所以在光纤的入射端对后向瑞利散射光的偏振态和 光信号的延迟时间进行检测就可获得温度，应力等分布外界物理 量的分布情况。该传感器的结构如图1 . 2 . 6 所示。 图 1 . 2 . 6后向瑞利散射型分布式光纤传感器 由于磁场，电场，横向压力和温度都能够对光纤中光的偏振态进 行调制，因此该技术可用于实现多个物理量的测量。 1 . 3基于p - o t d r 的分布式光纤传感器中存在的 主要问题 基于 p - o t d r的 分布式光纤传感技术是最早被提出 来的一种 光纤传感技术， 它在8 0 年代初期得到了广泛的发展， 但是到目 前 为止，还没有成熟的产品问世。主要原因有以下几点: 1 从测量结果中准确地分离出哪些是温度的影响，哪些是应力 的影响是非常困难的，目前国内外还没有这方面的报道。这 也是p - o t d r 作为分布式传感中很难解决的问题之一。 2 . p - o t d r 方法只能探测光纤内第一个外来力施加点，对之后的 外来力无法判断。 3 . 由于光纤中的偏振态变化对外界环境非常敏感，当光纤位于 不同的地方如海底、公路或实验室时，受到的外界环境的干 扰会影响光纤中的偏振态，因此很难保持光纤中偏振态的稳 北京交通人学硕士学位论文 学生:董贤子导师:吴重庆 定， 这对其用于分布式传感是一大障碍， 所以p - o t d r 首先应 该解决其自身的偏振态稳定性问题。 4 . p - o t d r 也存在其他分布式光纤传感中普遍存在的空间分辨率 低，信噪比差的缺点。 1 . 4本文的主要工作 本文以基于p - o t d r 的分布式光纤传感器为研究对象， 做了如 下工作。 i .在查阅大量文献的基础上，对分布式光纤传感器的国内外发 展现状作了较为全面的阐述， 所面临的主要问 题及发展趋向 指出了当前分布式光纤传感器 2 .介绍了o t d r 的基本原理， 用途及其主要性能参数， 并在o t d r 的基础上介绍了p - o t d r实验装置，详细研究了p - o t d r的 两个重要用途: 测量光纤中的偏振态分布和分布式光纤传感。 3 .对偏振态稳定性进行了实验研究， 保证了实验系统的可行性。 4 .设法提高实验系统的分辨率和检测信号的信噪比。 5 .利用 v b进行数据采集卡的编程工作， 对实验信号进行实时 显示、数据采集、并完成数字平均、指数拟合、解卷积等各 种信号处理的程序。 对实验系统中及信号处理过程中的一些误差因素作出分析。 参考文献 1 廖延虎.光纤光学 m . 北京， 清华大学出 版社 ， 2 0 0 0 . 2 0 3 - 2 4 0 . 2 1 卓锋， 赵玉成， 延风平， 干均宏. 采川光纤光栅的温度和应力传感技术 光通信技术、北方交通人学光波技术研究所， 2 0 0 0 . 2 4 ( 2 ) : 1 3 4 - 1 3 7 . 3 李文宏， 扬振坤， 夏建生 光纤b r a g g 光栅 传感技术及其应用. 传感技术 学报。西安交通大学电器 程学院， 2 0 0 2 . 9 月，第3 期:2 1 5 - 2 1 8 . 4 g . p . a g r a w a l . n o n l i n e a r f i b r e o p t i c s . 2 e d . s a n d i e g o : a c a d e m i c p r e s s . 1 9 9 5 , 4 5 1 . 5 常胜， 李伟良 . 分布式光纤混度传感检测技术及其应用. i 东电力， 2 0 0 2 4 ( 1 5 ) : 3 6 - 3 8 6 刘建胜， 李铮， 张其善 光纤完全分布式 温度传感系 统研究进展. 1 9 9 9 , 3 1 0 - 1 3 . 北京交通大学硕 卜 学位论文学生:策贤子导师:吴il i: 庆 7 d a k i n j p , p r a t t d j , b i b b y g w , r o s s j n . d i s t r i b u t e d o p t i c a l f i b r e r o m a n t e m p e r a t u r e s e n s o r u s i n g a s e m i c o n d u c t o r l i g h t s o u r c e a n d d e t e c t o r j . i e e e p h o t o n i c s t e c h n o l o g y l e t t e r s , 1 9 8 5 , 2 1 ( 1 3 ) : 5 6 9 - 5 7 0 . 8 r o g e r s a e t a 1 . d i s t r i b u t e d o p t i c a l - f i b r e s e n s i n g . p r o w s p i e . 1 5 1 1 , 1 9 9 1 , 2 - 2 4 . 9 黄尚廉等. 分布式光纤温度传感系统的研究。仪器仪表学报，1 9 9 1 , 1 2 ( 4 ) : 3 5 9 - 3 6 4 . l 0 张在宣等. 激光喇曼型分布光纤温度传感系统。光学学报，1 9 9 5 , 1 5 ( 1 1 ) : 1 5 8 5 - 1 5 8 9 . l l d e m e r c h a n t m . d . e t a l . a u t o m a t e d s y s t e m f o r d i s t r i b u t e d s e n s i n g , s p i e s 5 t h a n n u a l i n t e r n a t i o n a l s y m p o s i u m o n s m a r t s t r u c t u r e a n d m a t e r i a l s . s a n d i e g o c a , 1 9 9 8 1 2 g a r u s d e t a l . b r i l l o u i n o p t i c a l - f i b e r f r e q u e n c y - d o m a i n a n a l y s i s f o r d i s t r i b u t e d t e m p e r a t u r e a n d s t r a i n m e a s u r e m e n t j . l i g h t w a v e t e c h n o l . 1 9 9 7 , 1 5 ( 4 ) : 6 5 4 -6 6 2 . 仁 1 3 d e m e r c h a n t m . d . e t a l . a u t o m a t e d s y s t e m f o r d i s t r i b u t e d s e n s i n g , s p i e s 5 t h a n n u a l i n t e r n a t i o n a l s y m p o s i u m o n s m a r t s t r u c t u r e a n d m a t e r i a l s . s a n d i e g o , c a , 1 9 9 8 1 4 g a r u s d e t a l . b r i l l o u i n o p t i c a l - f i b e r f r e q u e n c y - d o m a i n a n a l y s i s f o r d i s t r i b u t e d t e m p e r a t u r e a n d s t r a i n m e a s u r e m e n t j . l i g h t w a v e t e c h n o l . ， 1 9 9 7 , 1 5 ( 4 ) : 6 5 4 - 6 6 2 - 1 5 1 r o g e r s a j . p o l a r i z a t i o n 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 r y j . e l e c t r o n l e t t . 1 9 8 0 , 1 6 ( 1 3 ) :4 8 9 - 4 9 0 . 1 2 北京交通大 学硕士学位论文 学生:董贤子导师:吴重庆 第二章 p - o t d r 功能介绍 偏振敏感光时域反射计 ( p - o t d r )是一种测量背向瑞利散 射信号偏振特性的设备。它可用于测量光纤中的偏振态沿光纤长 度的分布，还可以实现分布式光纤传感。它是在光时域反射汁 ( o t d r ) 的基础上发展起来的一种技术， 所以本章首先对o t d r 技术做一下介绍。 2 . 1 o t d r 介绍 2 . 1 . 1 o t d r结构 o t d r ( o o t ic a l t im e d o m a i n r e fl e e c t o m e t e r ) 是m . b a r n o s k im 和 m. j e n s e n仕 i w o牛 目rktx e n术 p 1” 7 ea l . ) j . i 9 : 7 -9 - /l1%1 - t u j fj 向瑞利散射信号来进行光纤测试的仪器。 材料在光纤制造的各种热过程 ( 沉淀、熔融、拉丝等)中， 由于热骚动，出现微观的介质折射率不均匀性， 在光的作用下一 些分子团作热运动，向前后左右散射，即称为瑞利散射。瑞利散 射光的特点是它的偏振方向与入射光在散射点的偏振方向相同。 瑞 利 散 射 光 的 一 部 分 ( 大 约 占 入 射 光 的。 ，00 0 1 % , ) r a 尽 钾 fu 终 翌 方向被散射回来，因而被称为瑞利背向散射，只要测量这个微弱 的背向散射信号，并利用其与传输时间的函数关系，可以得到沿 光纤长度分布的衰减曲 线3 - 5 1 目 前o t d r技术已经实用化， 它可以用来测量光纤沿线上的 损耗分布，并提供与长度有关的衰减细节，具体表现为探测、定 位和测量光纤链路上任何位置的 事件 ( 事件是指因 光纤链路中 熔 接、 连接器、 弯曲 等形 成的 缺陷 ) 。 另 外， o 丁 d r测试的非 破坏性、 只需一端接入及直观快速的优点使其成为光纤光缆生产、施工、 维护中不可缺少的仪器，在整个光通信产业中占有重要地位。 o t d r结构女 q 图2 . 1 . 1 所示。 脉冲发生器发出宽度可调的窄脉冲驱动激光二极管( l d ) ， 产 生所需宽度的光 脉冲( 通常为5 0 n s - 4 0 0 n s ) ， 经方向 祸合器后入射 到待测光纤( f u t ) ， 光纤中的后向散射光和菲涅耳反射光经祸合 器后进入光电探测器，光电探测器把接收到的光信号转换成电信 号，结果由示波器显示。 北京交通大学硕士学位论文学生:董贤了导师:吴重庆 脉冲发生器 示波器光电探测器 图 2 . 1 . 1 , o t d r 原理图 2 . 1 . 2 o t d r的基木原理 设注入到光纤中的光功率为p o ， 则沿光纤传输到z 处的光功 率为p ( z ) 有: p ( z ) = 几 e - w ( 2 . 1 . 1 ) a 是光纤中单位长度上的 平均损耗系数， 单位为n p / k m ，实 际当中损耗系数通常用d b / k m表示，二者关系式为: 1 d b l k m= 4 . 3 5