（光学工程专业论文）基于potdr的分布式光纤传感技术及其应用.pdf

中文摘要 中文摘要 随着现代测量技术的发展，近二十年来光纤传感器越来越受到人们的重视。 与传统的电类传感器相比，光纤传感器具有不受电磁干扰、适用范围广、分辨率 高、易复用、体积小、重量轻等显著优点。分布式光纤传感( d o f s ) 是技术最成 熟、应用最广泛的光纤传感技术之一，例如偏振光时域反射计( p o t d r ) ，这种技 术使用窄线宽激光器发射脉冲信号并注入待测光纤中，同时在发射端使用光探测 器接收和检测瑞利散射光中的偏振态信息，它是种通过检测光纤中传输光的偏 振态变化来达到分布式光纤传感目的的一种新型传感技术，而光纤中传输光的偏 振态变化实际上是由相位变化引起的，因此这种传感技术非常灵敏，可以感知常 规o t d r 感觉不到的微弱外界变化。 论文首先将国内外对d o f s 的研究现状作了一个详细的综述，发现它虽然发 展十分迅速，但也有不足之处，针对p o t d r 来说，就有仅能探测到光纤线路上的 一个扰动、信号弱、实用化不足等。课题拟在前人工作的基础上，针对p o t d r 的 若干不足之处，提出一些全新的解决方法。 具体完成的工作如下： ( 1 ) 研究o t d r 的工作原理、结构、典型测试曲线、特性参数等，同时指出 o t d r 的应用及其局限性，并在此基础上提出了p o t d r 分布式光纤传感技术。首 先阐述了单模光纤中的偏振态和双折射、传输光的偏振态变化、瑞利散射等基础 知识，然后对p o t d r 分布式传感的原理进行了描述。 ( 2 ) p o t d r 采集的后向散射数据有很大的噪声，不利于后继的分析，而小 波变换具有良好的时频域特性，因此本文采用小波变换对采集到的数据进行去噪 处理，取得了良好的效果。 ( 3 ) 通过对系统的总体设计和关键器件的设计与选择，搭建并调试成功了一 套基于p o t d r 的分布式光纤传感系统，同时将此系统应用于光缆监测，并在2 k m 和1 4 k i n 距离处均取得了良好的传感效果，最后分析了监测系统的传感效果图，指 出p o t d r 仅能探测到一个扰动点的缺陷。 ( 4 ) 因为p o t d r 用于光缆监测具有缺陷，所以在上一套系统的基础上提出 并论证了一种基于p o t d r 和矽o t d r 相结合的光缆监测系统，充分改进了前者在 各方面的性能。首先研究了矽o t d r 的基本原理，通过它在防入侵系统上的应用 i 中文摘要 说明了其用于分布式传感的具体方法，并在此基础上设计了一个方案将p o t d r 和 矽o t d r 结合到一个光缆监测系统中。调试成功后，本文提出的合成系统表现出 了良好的性能，在定位精度为5 0 m 的前提下，系统在1 4 k m 距离处获取到具有较 高信噪比的传感信号，而且由于p o t d r 和矽o t d r 并行运行，对传输光脉冲的相 位和偏振态的变化同时进行检测，共同判定微扰和进行定位，所以大幅提高了监 测系统的准确度和灵敏度，降低了误判率和漏报率。 ( 5 ) 阐述数据采集与处理技术，并采用通用的可视化开发工具v i s u a lc + + 来 开发用于p o t d r 的数据采集与处理软件。该软件集成了仪器采集接口程序及测试 面板、时域波形显示、数据分析处理、i o 接口等多个功能。本论文在基于该软件 的“软面板”的控制下完成了大量测试，测试结果证明了本软件的实际效用。 关键词：分布式光纤传感，偏振光时域反射计，小波变换，s u a lc + + ，光缆监测 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e r nm e a s u r e m e n t t e c h n o l o g y ，m o r ea n dm o r e r e s e a r c hi n t e r e s t sa r ef o c u s e dt oo p t i c a lf i b e rs e n s o r si nt h ep a s tt w o d e c a d e s c o m p a r e d t oc o n v e n t i o n a le l e c t r i c a l s e n s o r s ，o p t i c a l f i b e rs e n s o r so f f e rs e v e r a lo u t s t a n d i n g a d v a n t a g e s ，i n c l u d i n gi m m u n i t yt o e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e , c a p a b i l i t yo f r e s p o n d i n gt oaw i d ev a r i e t yo fm e a s u r a n d s ，h i g hr e s o l u t i o n ，c a p a b i l i t yo f m u l t i p l e x i n g ， s m a l ls i z ea n dl i g h tw e i g h t ，a n dr e s i s t a n c et oh a r s he n v i r o n m e n t s d i s t r i b u t e do p t i c a l f i b e rs e n s o r ( d o f s ) i so n eo ft h em o s ts u c c e s s f u lo p t i c a lf i b e rs e n s o r si np r a c t i c e s u c h a sp o l a r i z a t i o no p t i c a lt i m ed o m a i nr e f l e c t o m e t r y ( p o t d r ) ，i nt h i s t e c h n i q u e ，p u l s e f r o mn a r r o wl i n e w i d t hl a s e ri sc o u p l e di n t ot h e o p t i c a lf i b e rw h i c hs e v e r e da sas e l l s o r , a tt h ee m i t t i n ge n d , ad e t e c t o ri su s e dt oe x p l o r et h es t a t eo fp o l a r i z a t i o n ( s o p ) b v u s i n gr a y l e i g hb a c k s c a _ c t e r i n g p o t d ri sak i n do fd i s t r i b u t e ds e n s o rw h i c hm a l ( e su s e o fi n s p e c t i n gt h es t a t eo fp o l a r i z a t i o n ( s o p ) i nf i b e rf o rs e n s i n g a sw ek n o w n ，t h e c h a n g eo fs o pi nf i b e ri sa c t u a l l ya r o u s e db yt h ec h a n g eo 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 gm e t h e di sv e r ys e n s i t i v ea n di tc a l lf e e lv e r yl i r l ei n f l u e n c e a f t e rd e s c r i b e dt h er e s e a r c hh i s t o r ya n dc u r r e n ts t a t u so fd o f s ，i t c a i lb es e e nt h a t p o t d re x i s ts o m e l i m i t a t i o n s ，s u c ha s ，p o t d rc a no n l ym e a s u r eo n ep a r a m e t e ra l o n g t h ef i b e rl i n k ，s i g n a li sw e e k ，a n dt h es e n s o r sa l en o tp r a c t i c a l l ye t c h e n c e w ew o u l d f i n ds o m ew a y st oo v e r c o m et h e s el i m i t a t i o n s t h em a i nw o r kc o m p l e t e di ss u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ep r i n c i p l e ，s t r u c t u r e ，t y p i c a lt e s tc u r v ea n dm a i np a r r n e t e r so fo t d ra r e s t u d i e d ，a n di t sa p p l i c a t i o na n dl i m i t a t i o na r ei n d i c a t e d o nt h i sb a s e , t h ep o l a r i z a t i o n o p t i c a lt i m ed o m a i nr e f l e c t o m e t r yi sp r o p o s e d t h es o p ，b i r e f r i n g e n c ea n dr a y l e i g h b a c k s c a t t e r i n gi nt h es i g l em o d ef i b e ri sd e s c r i b e d ，a n dt h ep r i n c i p l eo fp o t d ri s e x p l a i n e dt o o ( 2 ) t h eb a c k s c a t t e rd a t ah a sm u c hn o i s ei nt h es y s t e m ，w h i c hh a sb a de f f e c t0 nt h e s u b s e q u e n ta n a l y s i s w a v e l e tt r a n s f o r mh a sag o o dp e r f o r m a n c ei nb o t ht i m ea n d f r e q u e n c yf i e l d ad e n o i s i n ga n a l y s i st ot h ed a t au s i n gw a v e l e tt r a n s f o r mi s 西v e l lw i t h b e t t e rp r e c i s i o n i i i a b s t r a c t ( 3 ) a i l e rd e s i g n e da n ds e l e c t e dt h ed e v i c ea n ds y s t e m ，w eb u i ra ne x p e r i m e n t e q u i p m e n to fp o t d r f o ro p t i c a lf i b e rl i n ks u r v e i l l a n c e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t a h i g hs n r o ft h es e r l s o rs i g n a la t2 k ma n d14 k m a l o n gt h ef i b e rl i n kw a sa c h i e v e d ，a n d i t sa l s oi n d i c a t e dt h a tp o t d rc o u l do n l yd e t e c t e do n ep e r t u r b a t i o n ( 4 ) t h ep r i n c i p l ea n da p p l i c a t i o ni nt h ei n t r u s i o n - s e n s o rs y s t e mi sd e s c r i b e d ，o n t h i sb a s e , ad i s t r i b u t e do p t i c a lf i b e rp e r t u r b a t i o ns e n s i n gs y s t e m ，b a s e do nt h e c o m b i n a t i o no f p o l a r i z a t i o no p t i c a l t i m ed o m a i nr e f l e c t o m e t r y ( p o t d r ) a n d p h a s e - s e n s i t i v eo p t i c a lt i m e d o m a i nr e f l e c t o m e t r y ( - o t d r ) ，i sd e m o n s t r a t e da n d b u l i tf o ro p t i c a lf i b e rl i n ks u r v e i l l a n c e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tah i g hs n ro f t h es e n s o rs i g n a la t14 k ma l o n gt h ef i b e rl i n kw i t has p a t i a lr e s o l u t i o no f5 0 mw a s a c h i e v e d p o t d ra n d 彩o t d rw o r kt o g e t h e rt od e t e c tt h ep h a s ea n dp o l a r i z a t i o n p e r t u r b a t i o n so ft h er e t u r n e dl i g h tp u l s e s ，s u c ha na p p r o a c hc a nk e e pt h es y s t e mc o s t l o wa n de n h a n c et h ed e t e c t i o na c c u r a c yo fp e r t u r b a t i o n sa n dh e n c er e d u c et h ee r r o rr a t e s i m u l t a n e o u s l y ( 5 ) t h ed a t aa c q u i s i t i o na n da n a l y s i st e c h n o l o g yi sd e s c r i b e d , a n dt h et e s t i n g s o f t w a r eo fp o t d ri sd e v e l o p e do nt h eb a s i so fp e r s o n a lc o m p u t e rw i t ht h et o o lo f v i s u a lc + + t h ef u n c t i o no ft h e t e s t i n g s o f t w a r ec o n t a i n sp a n e l c o n t r o l l i n g , t i m e - d o m a i nw a v ed i s p l a y , d a t aa n a l y s i sa n dp r o c e s s i n g , i oi n t e r f a c ee t e ，a n dal o to f t e s t sa r ec o m p l e t e db ym e a n so ft h em u t u a lw a yr e a l i z e db yt h es o f t w a r e k e y w 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 ( d o f s ) ，p o l a r i z a t i o no p t i c a lt i m ed o m a i n r e f l e c t o m e t r y ( p o t d r ) ，w a v e l e tt r a n s f o r m ，v i s u a lc + + ，o p t i c a lf i b e rl i n ks u r v e i l l a n c e i v 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已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 关于论文使用授权的说明 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：奎遵主导师签名：丝 日期：z o 鸪年歹月夸e t 第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 2 0 世纪以来，信息技术是依靠电子学和微电子学技术而发展的，但是由于电 子本身的物理极限，电子信息技术的载体量级局限为吉位( g b ，即1 0 9 b i t s ) 。由于 光子的速度比电子的速度快得多，光子的频率比无线电( 如微波) 的频率高得多， 所以，为提高传输速度和载波密度，信息的载体必然由电子发展到光子【l 】。比如， 美国把光子技术列为国家关键技术，并认为“光子学在国家安全与经济竞争力方 面有着深远的意义和潜力 ，“通信及计算机研究与发展的未来属于光子学领域”。 我国国家高技术( 8 6 3 ) 光电子专家委员会于1 9 8 9 年提出的重大课题就是光计算 ( o p f i c a lc o m p u t e r ) 和光通信( o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ) 。 此外，当集成电路和计算机技术飞速发展时，信息摄取装置传感器和传 感技术却成了限制信息技术的瓶颈。因此，8 0 年代以来，传感器和传感技术成为 了国际研究的热点之一【2 】，比如：( 1 ) 美国国防部将传感器技术视为2 0 项关键技 术之一；( 2 ) 日本把传感器技术与计算机、通信、激光半导体、超导并列为6 大 核心技术之一；( 3 ) 德国视军用传感器为优先发展技术；( 4 ) 英、法等国对传感 器的开发投资逐年升级；( 5 ) 原苏联军事航天计划中的第五条列有传感器技术。 传感器技术之所以如此受到重视并获得极为迅速发展的原因是：( 1 ) 微型计 算机的普及和信息处理技术的飞速发展，形成了推动获得信息的传感器技术发展 的动力。( 2 ) 广阔的市场与社会需求是传感器技术发展的又一强劲推动力，2 0 0 0 年，世界传感器市场总额达7 0 0 亿美元。( 3 ) 光通信是本世纪在科学技术领域取 得的最伟大的成就之一，它以光子为信息载体，为现代化社会提供了一种最优秀 的信息交换与传输手段，光通信的成功也促进了光传感的兴起与发展。 1 2光纤传感 近年来，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展， 在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。 光纤传感器是近年来出现的新技术，由于光纤不仅可以作为光波的传输媒质， 电子科技大学硕士学位论文 而且光波在光纤中传播时表征光波的特征参量( 振幅、相位、偏振态、波长等) 因外界因素( 如温度、压力、磁场、电场、位移等) 的作用而间接或直接地发生 变化，从而可将光纤用作传感器元件来探测各种待测量( 物理量、化学量和生物 量) ，这就是光纤传感器的基本原理。目前光纤传感器已经有7 0 多种，大致上分 成光纤自身传感器和利用光纤的传感器。 所谓光纤自身的传感器，就是光纤自身直接接收外界的被测量。外接的被测 物理量能够引起测量臂的长度、折射率、直径的变化，从而使得光纤内传输的光 在振幅、相位、频率、偏振等方面发生变化。测量臂传输的光与参考臂的参考光 互相干涉( 比较) ，使输出光的相位( 或振幅) 发生变化，根据这个变化就可检测出 被测量的变化。光纤中传输的相位受外界影响的灵敏度很高，利用干涉技术能够 检测出1 0 4 弧度的微小相位变化所对应的物理量。利用光纤的易绕性和低损耗，能 够将很长的光纤盘成直径很小的光纤圈，以增加利用长度，获得更高的灵敏度。 另外一个大类的光纤传感器是利用光纤的传感器。其结构大致如下：传感器 位于光纤端部，光纤只是光的传输线，将被测量的物理量变换成为光的振幅、相 位或者偏振的变化。在这种传感器系统中，传统的传感器和光纤相结合。光纤的 导入使得实现探针化的遥测提供了可能性。这种光纤传输的传感器适用范围广， 使用简便，但是精度比第一类传感器稍低。 光纤传感器在传感器家族中是后起之秀，光纤传感器具有许多其他传感器无 法比拟的优点( 1 ) 频带宽、传输信息容量大、动态范围大。( 2 ) 采用光纤作为信号传 输的介质和传感元件，能够抗电磁干扰，防雷击、防水防潮，耐高低温、耐水火、 耐高压、耐腐蚀，化学性能稳定。适用于长时间的水下或潮湿、高温和易燃、易 腐、易爆等较恶劣的环境中测量，尤其适宜于在易燃易爆的油气、化工生产环境 中使用。在强电磁干扰和高电压的环境里，光纤传感器也显示出了独特的能力， 完成了现有测量技术难以完成的测量任务。( 3 ) 传感器系统体积小、重量轻、光纤 质软可弯曲、几何形状可塑，适应性强。可做成各种形状的传感器和传感器阵列， 便于布设，还可几乎无损地植于大型结构体中实现大范围的分布式智能化检测。( 4 ) 高灵敏度、高精度检测。利用光波动参数特别是相位变化来检测物理量可使光纤 传感系统获得很高的灵敏度。( 5 ) 传感参量多，可测量温度、压强、应力、应变、 流速、流量、电流、电压、液位、气体成份、多相流流动剖面等。在一根光纤上 可以制成传感不同物理量的传感器。( 6 ) 安全性能好。光纤传感器是无电源驱动的 调制器，具有本质安全的特点，适用于军事国家安全等需要安全保密性强的领域。 所以光纤传感器并且在各种不同的测量中发挥着自己独到的作用，成为传感器家 2 第一章绪论 族中不可缺少的一员。 1 3f b g 点式、准分布式光纤传感技术 光纤传感器按工作方式可分点式、准分布式、分布式三类。点式传感器是用 单个光纤传感器测量某一点位置的信息，准分布式光纤传感器则是由个置于空 间已知位置的分立的光纤传感器共用一个或n ( n n ) 个信息传输通道所构成的 分布式网络系统，可同时或分时获得空间中预定位置的被测量，也可获得空间中 预定位置上不同被测量的分布信息。 光纤布拉格光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ，f b g ) 在点式和准分布式传感领域中 具有十分广泛的应用【3 】 4 1 ，特别是用于一些重要物理参数( 比如应变、温度、压力、 超声波、加速度、强磁场、力等) 的点式或准分布式测量。典型的f b g 传感系统 如图1 1 所示。由于应变、温度等外界环境的变化将引起光纤有效折射率或光栅周 期等参数的变化，从而导致光纤布拉格光栅的谐振波长发生变化，因此通过测量 光栅谐振波长的变化就可获得周围环境参量的变化。 i n p u ts p e c t r u m r e f l e c t e dc o m p o n e n t t r a n s m i t t e ds i g n a l 图1 - 1 利用反射或透射谱的基本f b g 传感系统 国内电子科技大学和重庆大学在f b g 传感技术方面做出了非常深入的研究， 在许多传感指标上均达到了国际领先，例如现在已有传感距离达到1 0 0 k m 的长距 离光纤传感系统【5 1 。 1 3 1动态应变传感系统 电子科大光纤技术实验室提出了一种基于光纤环形激光器结构的高光学信噪 3 电子科技大学硕士学位论文 比的f b g 动态应变传感系统【6 1 ，我们以此为例来说明准分布式f b g 传感系统的实 际结构及其应用。 该系统基于可调光纤环形激光器结构，并采用马赫泽德干涉仪相位解调的方 法来实现f b g 传感信号的解调。实验结果显示输出激光的光学性噪比达到了 6 5 d b ，并且在2 k m 距离处的f b g 获取到了电信噪比达5 2 d b 的传感信号，从而 获得了6 7 个皮应变的高应变分辨率，这是国际上目前采用单个f b g 传感头获得 的最高动态应变分辨率。 传感系统结构如图1 2 所示。该系统中，一只9 8 0 n m 泵浦激光器发出的光经 过一只9 8 0 n m 15 5 0 n m 的波分复用器( w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，w d m ) 进入1 2 m 长的掺铒光纤( e r b i u m d o p e do p f i c a lf i b e r ，e d f ) ，再经过可调法珀 ( f a b r y - p e r o t ，f p ) 滤波器和环形器进入耦合器1 ，耦合器l 是一个1 k 耦合器， 利用它可以复用k 个传感系统。我们以其中一个为例，将耦合器1 的第一个输出 口接入耦合器2 的9 0 端口，耦合器2 的1 0 端口接入系统，耦合器2 的公共输 出端则接入2 k m 长的光纤，并在光纤后面放置一个f b g 作为传感器。 图1 - 2 基于可调光纤环形激光器的f b g 动态应变传感系统示意图 本系统中，环形光纤激光器中的e d f 在9 8 0 r i m 泵浦光的作用下首先产生放大 的自发辐射光( a s e a m p l i f i e ds p o n t a n e o u se m i s s i o n ) ，它与掺铒光纤的增益谱近 似一致。调节f p 滤波器的通带中心波长，当其与f b g 的工作波长相同时，光信 号被分布在光纤上的f b g 反射，反射光通过环形器进入环形结构，在环形结构中 以逆时针方向传播一周，由e d f 对光信号进行放大，形成正反馈环路振荡，当所 获增益大于腔内损耗时，便产生了激光输出。系统同时采用马赫泽德干涉仪进行 相位调制的方案实现光信号的检测。如图1 2 所示，耦合器2 的1 0 的输出光经 过一个3 d b 耦合器3 被分成两束各5 0 的光，其中一束光直接进入另一个3 d b 耦 4 第章绪论 合器4 ，另外一束光经过1 0 0 m 光纤再进入耦合器4 ，这样耦合器3 和耦合器4 及 它们之间的部分构成了一个m z i 。m z l 作为一个波长敏感元件，其作用是将从f b g 返回的光信号里面的波长变化转化成m z i 输出光信号的相位变化。 实验中信号发生器输出的信号为68 k h z 频率的三角波，压电陶瓷( p z t ： p i e z o e l e c t r i ct r a n s d u c e r ) 驱动f b g 的测试应变为10 7 个微应变。m z l 解调后得到 的信号和原始驱动信号的比较结果如图1 - 3 所示。由于f b g 两端的距离较长，f b g 和i v l z i 对外界变化又非常敏感，因此传感信号的噪声较大。从图中可以看到检测 到的信号和p z t 驱动信号吻合，并宵5 2 d b 的信噪比，相应的席变分辨率达到了 67 个皮应变。 f ”q u e n c y ( 1 d a z ) 圈卜3l l z i 输出信号与驱动信号的比较 ( a ) 功率谱比较c b ) 波形比较 本系统在性噪比上具有优势，所以性能更好。系统具有良好的功率稳定性， 并且其波长扫描光源方式使得可以在刚络上分布大量的f b g ，从而实现准分布式 传感网络，用于监测复杂结构或者是多点遥测。 13 2 应用及其局限性 布拉格光纤光栅传感技术，特别是多参数复用传感技术越来越受到人们的青 眯，f b g 在传感中的应用主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 复合材料或结构中的应用川 z l f b g 作为传感器的一个最重要的用途就是埋入复合材料或结构中来实现材 料、结构内部应变和温度分布的实时监测，称为光纤智能材料和结构。民用基础 设施的结构监测是f b g 传感器最活跃的领域之一。力学参量的测量对许多复合材 料或结构的维护和健康状况监测是非常重要的。f b g 传感器可以贴在结构的表面 电子科技大学硕士学位论文 或预先埋入结构中，对结构同时进行健康检测、冲击检测、形状控制和振动阻尼 检测等，以监视结构的缺陷情况。9 0 年代以来，美国、加拿大、英国、德国、日 本、瑞士等发达国家，已经广泛将f b g 用在了桥梁、矿山、海船和飞机等结构的 健康监测中。f b g 传感器在桥梁上的应用主要是利用加强聚合体光缆的光纤来进 行分布载重监测。在复合材料钢筋梁的生产过程中将f b g 传感器埋进去，就可为 传感器和尾纤提供良好的保护。每个大梁均安装一个不受应变影响的f b g 温度传 感器来修正温度变化引起的应变变化；矿藏、隧道和地下挖掘中负重和升降变化 的测量对安全非常重要，复用f b g 传感系统可以替代传统的应变测量和测压元件 等电子传感器，应变测量精度小于l ；先进复合材料已被广泛用于制造飞机和舰 船等，分布式f b g 传感器系统是此类材料的理想监测系统，因为f b g 传感器对应 变和温度都很灵敏，这就可以通过同时测量应变和温度来校正静态应变测量中的 热致应变，实验结果表明f b g 传感器与传统的电类传感器相比信噪比有了较大的 提高，可以提高结构监测数据的分析精度。 ( 2 ) 电力工业中的应用【9 】 因为f b g 不受电磁场的影响，所以它很适合用于电力工业。f b g 可以检测电 力线上的负载变化，如由大雪等原因引起的负载过重；高压和高功率设备上( 如 变压器和发电机) 温度的分布情况对于人们了解他们的工作情况是非常重要的， 可以通过f b g 温度传感来检测设备的缺陷或质量问题；此外f b g 还可以用于高压 电力传输线中大电流的测量，在高达7 0 0 a 范围可以达到0 7 a h z 1 尼的精度，并且 其线性度很好。 ( 3 ) 石油勘探方面的应用【1 0 1 液压和温度的实时监测对控制海上油田的产油量非常重要，f b g 传感器由于 可以进行分布式测量并能适应较大的温度变化可以用于油井内部液压和温度的测 量。2 0 0 3 年，p h m n e l l e n 等人报道了一种基于f b g 传感器的精确、长期监测油 井液压的传感器，该传感器将油井液压转化为光纤应力，可同时监测油井液压和 温度；f b g 可以作为地震检波器，可有效地获得和处理从地层深处反射来的地震 波的信息；在海底石油勘探中，采用f b g 作为水听器的传感系统不必考虑线路对 信号的衰减，不必考虑密封问题，光纤对海水的腐蚀也具有良好的抵抗能力【8 1 。 ( 4 ) 医学方面的应用【3 】 基于强度调制的小型光纤传感器近几年发展迅速，利用f b g 传感器良好的复 用特性，可以在一根光纤上实现分布式传感器系统。目前，已经有了温度和超声 波传感系统。现有一种带简单c c d 光谱仪的便于携带的f b g 传感系统，f b g 的 6 第一章绪论 光谱通过一个快速a d 转换器来记录，而每个f b g 的中心波长可以通过匹配f b g 谱线和标准高斯函数来确定，在温度范围为2 0 5 0 时其测量精度为0 1 ，并 且其准确度为0 2 。c ；f b g 传感器可以克服压电超声波传感器易受电磁场影响使 得信号畸变的缺点，并且复用的f b g 传感系统能够在几点同时测量超声波。 ( 5 ) 化学传感的应用【l l 】 f b g 传感器也可以用于化学传感，其原理是f b g 的中心波长会随外界折射率 的变化而变化。例如当化学浓度发生变化时，f b g 和周围化学物质间暂时形成的 场也会变化，从而导致f b g 的中心波长发生变化。有报道使用侧面抛光的光纤作 为反射传感器，可以实时在线测量化学性质，比如石油工业中碳化合物含量的测 量。 ( 6 ) 航空航天中的应用【1 2 】【1 3 】 在航空航天领域，飞行安全是人们十分关注的一个方面。光纤光栅传感器具 有体积小，重量轻，灵敏度高等优点，将光纤光栅埋入飞行器或者发射塔结构中， 组成分布式智能传感网络，可以对飞行器及发射塔的内部机械性能及外部环境进 行实时监测。波音公司( b o e i n g ) 进行了这方面的许多研究，并拥有许多专利技术。 除了上面的一些应用，f b g 还有许多其它的应用，如安全监测传感系统、加 速度测量、水声传感、液面位置探测等等，并且目前许多学者正在进行f b g 传感 器各种潜在应用的研究，相信f b g 传感器将会得到更加广泛的应用。 如前所示，在f b g 光纤传感器的所有应用中，点式只能测量和记录传感点处 的信息，其余光纤部分只是作为信号的传输介质，准分布式光纤传感系统则一般 包括光纤传感器阵列和多个复用光纤传感器等，这类传感器性价比不高。如果需 要测量多个位置的信息，必须要同样数量的f b g 作为传感头，大幅增加了成本。 目前f b g 的谱宽不能做到无限窄，同时为了避免无法区分传感信号来自于那 个f b g ，因此每个f b g 的谱线不能相互重叠，这样整个系统里面的f b g 的数量 也受到了限制，尤其是在使用掺饵光纤放大器( e r b i u m d o p e do p t i c a lf i b e r a m p l i f i e r ，e d f a ) 的光路结构中，由于e d f a 只能放大1 5 2 0 - 一1 6 2 0 n m 范围内的 光信号，所以对f b g 数量的限制更大。同时，当传感系统使用的f b g 的数量较大 时，对复用技术也提出了较高的要求。 随着光纤传感器技术的发展，f b g 点式和准分布式光纤传感技术的局限性在 很多实际应用中越发显得突出，必须另外发展一种能克服这些局限性的传感技术， 而分布式光纤传感技术正是这样一种新型的传感技术，他能对点式和准分布式光 纤传感技术进行多方面的改进。 7 电子科技大学硕士学位论文 1 4分布式光纤传感技术 1 4 1分布式传感技术的优势 2 0 世纪7 0 年代末，随着光时域反射技术( o p t i c a lt i m ed o m a mr e f l e c t o m e t e r ， o t d r ) 1 4 】的出现，分布式光纤传感器技术【1 5 】得到了很大发展。分布式光纤传感技 术中光纤既是传输介质，又是传感元件，以其可对被测量场的连续空间进行实时 测量的特点而成为光纤传感技术中极其引人注目的一项新技术。分布式光纤传感 技术不仅具有一般光纤传感器的特点，而且它可以同时获得被测量的空间分布状 态和随时间变化的信息，还可以在整个光纤长度上对沿光纤分布的环境参数进行 连续测量，同时可以实现几十甚至上百公里范围的连续测量，一举解决了许多重 大应用场合下其他类型传感器难以胜任的测量任务，显示出十分经济和现实的应 用前景，所以该类光纤传感技术是目前国内外研究的重要方向。 此外，在世界范围内，由于对工民建和工业设施安全性和效益要求的不断提 高，对集成的安全检测系统的需求逐步攀升。具备可连续、无间断、长距离测量 并与被测量介质有极强的亲和性的分布式光纤传感系统似乎正是为此量身定做 的。分布式光纤传感器将传输与传感媒质合二为一的特性，使得沿布设路径上的 光纤可全部成为敏感元件，且因光纤传输损耗小，因此可实现超长距离的整个光 纤长度上的全分布式测量。将传感光纤埋置于被测体内，可对参数变化进行实时 检测，适用于自检测、自诊断的智能化结构和材料性能改善，这有利于大范围网 络化和智能化的发展要求。而且由于采用普通光纤即可实现大范围多参数丰富信 息的测量，性价比高。与点式和准分布式光纤传感技术相比，尽管分布式光纤传 感器系统还存在空间分辨率低、测量时间长、信号微弱，系统复杂等不足，但由 于它具有以上无可比拟的优越性，因此它是最具前途的一类光纤传感技术。 1 4 2分布式传感技术的种类和国内外研究现状 分布式光纤传感技术主要可分为基于干涉原理和基于o t d r 技术两类。 基于干涉原理的分布式传感器具有多种不同结构，包括：萨格奈克萨格奈克、 萨格奈克马赫泽德、萨格奈克迈克耳逊、马赫泽德马赫泽德等混合组成的干涉 型分布式传感结构。但此类传感技术一般均存在测量距离有限、信噪较低、易受 环境因素影响、对参考光纤的屏蔽有很高要求、数据处理工作复杂等问题，在长 距离分布式实时传感方面存在一定局限性。 基于o t d r 技术的分布式传感器可分为反射型和前向传输型，反射型是利用 r 第一章绪论 光纤在外部扰动作用下产生的瑞利( r e y l e i g h ) 、喇曼( r a m a a ) 、布里渊( b r i l l o u i n ) 等效应产生的背向散射光的动态变化进行测量，其特点是在入射端采用光时域反 射技术来进行大小的测量和空间的定位；前向型是利用外界物理量的作用，使光 纤两传输模之间发生能量耦合，其特点是在输出端对耦合模进行测量，频谱特性 中的频率反映了耦合点的位置，幅值反映了该位置处被测量的大小，对这类传感 器原理研究最多的就是这四种基于瑞利散射、喇曼散射、布里渊散射及偏振模耦 合效应原理的分布式传感器。 下面就这些分布式传感器技术进行简述。 1 4 2 1基于干涉原理的分布式传感器技术 ( 1 ) 基于双波长萨格奈克干涉原理的分布式传感技术 基于双波长萨格奈克干涉原理的分布式传感技术是由英国科学家s t u a r t j r u s s e u 1 6 】于1 9 9 9 年提出的，其系统结构如图l - 4 所示。 b b e b r o a d b a n dc o u p 盯 w i w 2 。w 3 n 卜w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x e d 图l _ 4 基于双波长萨格奈克干涉原理的定位技术 图中使用两个波长的光源，利用波分复用器件w 1 、w 2 、w 3 和w 4 ，使两种 波长的光分别通过两条光路，构成两个独立的萨格奈克干涉仪。但是，这种方法 为了在第二个萨格奈克干涉仪的解调信号中省略掉扰动发生位置的信号，要求延 迟光纤的长度远大于传感光纤的长度，所以不适合长距离传感。同时为了保证系 统定位的准确性，必须对部分光纤作屏蔽处理，且由于该系统传感光纤使用普通 单模光纤，故存在干涉型分布式传感系统所共有的偏振态退化问题。 ( 2 ) 基于萨格奈克马赫泽德干涉原理的分布式传感技术 基于萨格奈克马赫泽德干涉原理的分布式传感技术由南非科学家 a n a t o l i a c h t c h e r b a k o v _ 【1 7 】于1 9 9 9 年提出，如图1 5 所示。其基本原理同样是利用 两种干涉仪输出相位信号之比来分离作用位置。 o 电子科技大学硕士学位论文 s a 舒l a c i 删胁“h n a l e f 图1 5 基于萨格奈克马赫泽德干涉原理的定位技术 i m e r f e r o m e t a r 该方法的不足在于需对传感系统末端的马赫泽德干涉仪输出信号提供专用电 信号数据传输通道，不仅浪费大量资源，而且为了保证系统的定位精度，必须保 证探测器数据之间的同步性，而系统末端数据传到系统始端必定会消耗一定的时 间，传感距离越长，探测器数据之间的同步性越差，解算出的扰动行为位置信息 越不准确，因此该系统只适用于短距传感。同时为了保证系统定位准确性，必须 对参考光纤作屏蔽处理，且该系统仍然存在干涉型分布式传感系统所共有的偏振 态退化问题。 ( 3 ) 基于萨格奈克迈克耳逊干涉原理的分布式传感技术 基于萨格奈克迈克耳逊干涉原理的分布式传感技术由南非兰德大学 s t e p h a n u s j s p a m m e r t l 8 】于1 9 9 7 年提出，如图1 - 6 所示。其基本原理同样是利用两 种干涉仪输出相位信号之比来分离作用位置。 图1 6 基于萨格奈克迈克耳逊干涉原理的定位技术 该结构中，w d m l 、w d m 2 为波分复用器件，f s m ( f r e q u e n c ys e l e c t i v em i r r o r ) 1 0 第一章绪论 为波长选择透镜。选透镜f s m 为该系统的核心元件，该选透镜保证对波长为 的 光波全通，而对如的光波的全反射，从而由 的光波构成萨格奈克干涉仪，由如的 光波构成迈克耳逊干涉仪。 该系统适合长距离分布式传感，但是该系统在实用中同样存在光纤屏蔽、“偏 振诱导信号衰落 等问题。 ( 4 ) 基于萨格奈克干涉原理的分布式传感技术 基于萨格奈克干涉原理的单光纤的分布式传感技术采用一条光纤代替光纤 环，从而避免因屏蔽带来的困难，系统结构如图1 7 t ”1 所示。 图1 7 基于萨格奈克干涉原理的单光纤