（光学工程专业论文）面向智能光网络中的分布式振动传感及信号传输基础研究.pdf

产 cj 、o：、y i t 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，l , 1 ) j n 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。 签名：j 望：奎壶日期：2 。，口年j 月) s e l 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：导师签名： a 3 奶 日期：2 0 lp 年岁月2 宕日 一 摘要 摘要 智能光网络是当今光网络的发展趋势和重要研究方向，将更广泛的应用于下 一代网络“物联网”之中。传感和传输是智能光网络的两个重要部分。本文的研 究涉及这两个部分，主要包括分布式光纤振动传感，以及基于多业务传输平台的 光传输网络中的告警电路。分布式光纤振动传感可以对铺设传感光纤的空间内发 生振动的情况进行监测，可以应用于通信光缆、高压电网、输油管道、建筑以及 发电机的监测领域。基于多业务传输平台的光传输技术是城域网的主流技术，网 元是多业务传输平台光传输网络中的核心设备，告警控制板是网元内用来管理和 控制网元工作的设备，使系统更加稳定智能的工作。 在分布式光纤振动传感方面，本文对基于萨格纳克干涉仪的分布式光纤振动 传感系统的基本原理进行了详细的分析，在此基础上设计了新的光路，搭建了传 感系统。传感系统由单模传感光纤、光纤耦合器、激光二极管脉冲光源、探测器、 压电陶瓷模拟振动源等部分构成。传感系统光路的特别之处是采用了一个由2 x 2 光纤耦合器构成的非线性光纤环镜来提升返回到光探测器的光功率，从而增加传 感器的探测距离。本文对搭建的系统进行了实验分析，验证了系统的可行性，并 证明所采用的方法可以提升探测距离。 在基于多业务传输平台的光传输方面，论文设计并完成了应用于光传输网络 中网元设备内部的告警控制板。论文分析了系统对告警控制电路的具体需求，设 计了系统所需的各项功能，包括缓启动、电压转换、电压检测、输入输出隔离电 路等。然后，对制作出的告警控制板进行了调试，并对告警控制板进行了上电测 试、信号质量测试、功能测试、程序烧写测试和极端测试。针对测试中发现的问 题，进行设计改进和重新测试，最终完成的告警控制板通过所有测试项，达到了 系统的要求。 关键词：智能光网络，分布式光纤传感，萨格纳克干涉仪，多业务传输平台，告 警控制板 一 a b s t r a c t i n t e l l i g e n to p t i c a ln e t w o r ki s ad e v e l o p i n gt r e n da n da l li m p o r t a n tr e s e a r c h d i r e c t i o no ft h eo p t i c a ln e t w o r k , i tw i l lb em o r ew i d e l yu s e di nt h en e x tg e n e r a t i o no f ”i n t e r n e to ft h i n g s ”s e n s i n ga n dt r a n s m i s s i o na r et w oi m p o r t a n tp a r t so ft h ei n t e l l i g e n t o p t i c a ln e t w o r k t h es c o p eo ft h i sp a p e rc o v e r st h e s et w op a r t s ，i n c l u d i n gd i s t r i b u t e d o p t i c a lf i b e rv i b r a t i o ns e n s o r sa sw e l l 觞t h ea l a r mc o n t r o lc i r c u i t si nt h em u l t i - s e r v i c e t r a n s f e rp l a t f o r m ( m s t p ) b a s e do p t i c a lt r a n s m i s s i o nn e t w o r k d i s t r i b u t e do p t i c a lf i b e r v i b r a t i o ns e n s o r sc a nm o n i t o rv i b r a t i o no c c u r r e di nt h ec i r c u m s t a n c e sw h e r et h es e n s i n g f i b e ri si n s t a l l e d ，s u c ha sc o m m u n i c a t i o n sc a b l e ，h i g h - v o l t a g ep o w e rl i n e s ，o i lp i p e l i n e s ， p o w e rg e n e r a t o r s ，e t c t h em s t p - b a s e do p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e mi sam a i n s t r e a mi n o p t i c a lm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k n e t w o r ke l e m e n ti sac o r ep a r to fm s t ps y s t e m , a n dt h ea l a r mc o n t r o lc a r di st h ee q u i p m e n tw h i c hm a n a g e sa n dc o n t r o l st h ew o r k i n g s t a t e so fn e t w o r ke l e m e n t , e n s u r i n gt h es y s t e mo p e r a t i n gs t a b l ya n di n t e l l i g e n t l y i nt h eo p t i c a ls e n s i n gp a r t , w ea n a l y z et h eb a s i cp r i n c i p l e so fd i s t r i b u t e do p t i c a l f i b e rs e n s i n gs y s t e mb a s e do ns a g n a cs t r u c t u r e ，d e s i g nan e wo p t i c a ls e n s i n gs c h e m e , a n db u i l d u p a l le x p e r i m e n t a l s e n s i n gs y s t e m t h es e n s i n gs y s t e mc o n s i s t so fa s i n g l e - m o d eo p t i c a ls e n s i n g 舫a l lo p t i c a lc o u p l e r , al a s e rd i o d ei m p u l s es o u i c o , a o p t i c a ld e t e c t o r , ap i e z o e l e c t r i cc e r a m i c sv i b r a t i o ns o u r c e ，a n ds oo n t h es p e c i a l t yo f t h i ss c h e m ei st h a tw ec o n s t r u c tan o n l i n e a ro p t i c a ll o o pm i r r o rt oe n h a n c et h eo p t i c a l p o w e rt h a tr e f l e c t e di n t ot h eo p t i c a ld e t e c t o r , t h u si n c r e a s i n gt h ed e t e c t i o nd i s t a n c eo f s e n s o r s t h en o n l i n e a ro p t i c a ll o o pm i r r o rc o n s i s t so fac o n v e n t i o n a l2 x 2o p t i c a lc o u p l e r t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s p r o v e t h e f e a s i b i l i t y o ft h e o p t i c a ls e n s i n gs y s t e m ， d e m o n s t r a t i n gt h a to u r s c h e m ec a ni m p r o v et h ed e t e c t i o nd i s t a n c e i nt h em s t p b a s e do p t i c a lt r a n s m i s s i o nn e t w o r kp a r t , w ed e s i g na n dm a k ea l l a l a r mc o n t r o lc a r dt h a ti su s e di nt h en e t w o r ke l e m e n t so fm s t ps y s t e m w ef i r s t l y a n a l y z et h es y s t e mr e q u i r e m e n t sf o rt h ea l a r mc o n t r o lc a r d ，d e s i g nt h er e q u i r e d f u n c t i o n s ，i n c l u d i n gs l o w s w i t c h i n g , u n d e r - v o l t a g ep r o t e c t i n g , v o l t a g ec o n v e r t i n g , v o l t a g em o n i t o r i n g ，i n p u t o u t p u ti s o l a t i n g , e t c a f t e rt h ed e s i g n e dc a r di sf a b r i c a t e d ，w e d e b u gt h ea l a r mc o n t r o lc a r d ，a n dc o n d u c tt h en e c e s s a r yt e s t i n gw o r k , e g ，p o w e r a b s t r a c t s u p p l yt e s t ，s i g n a lq u a l i t yt e s t ，f i m c t i o nt e s t ，m i e r o c o n t r o l l e rp r o g r a m m i n gt e s ta n d e x t r e m ec o n d i t i o nt e s t t h ec a r di sr e d e s i g n e da n df a b r i c a t e da f t e rf i n d i n gt h el e a k a g e s i nt h e t e s t i n gw o r k t h ef i n a l c a r dp a s s e st h r o u g ha l lt h e t e s t s ，a n dm e e t st h e r e q u i r e m e n to ft h em s t ps y s t e m k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n to p t i c a ln e t w o r k ，d i s t r i b u t e do p t i c a l f i b e r s e n s o r , s a g n a c i n t e r f e r o m e t e r , m u l t i s e r v i c et r a n s f e rp l a t f o r m ，a l a r mc o n t r o lc a r d i i i ，i一 目录 第一章绪论 目录 1 1 论文研究的背景及目的l 1 2 光纤传感的国内外研究现状3 1 2 1 光纤传感器的研究现状3 1 2 2 分布式光纤传感器的研究现状一4 1 2 3 光时域反射仪在光纤传感中的研究现状5 1 3 光传输网络中技术的现状6 1 3 1 同步数字体系的发展趋势6 1 3 2 多业务光传输网络的产生和发展6 1 4 本文的主要工作7 第二章基于萨格纳克干涉仪的分布式光纤振动传感器的理论基础9 2 1 光纤的应力应变效应传感原理9 2 2 萨格纳克干涉仪的原理1 1 2 3 基于萨格纳克干涉仪的光纤分布式振动传感器的种类1 2 2 3 1 双萨格纳克分布式光纤传感系统1 3 2 3 2 基于3 x 3 耦合器的萨格纳克型光纤传感器1 3 2 3 3 应用延时环的分布式光纤振动传感器1 4 2 4 基于萨格纳克干涉仪的分布式光纤传感器的原理1 4 2 4 1 基于萨格纳克干涉仪的双线分布式光纤传感系统1 5 2 4 2 基于萨格纳克干涉仪的单线分布式光纤传感系统1 6 2 5 本章小结1 7 第三章基于萨格纳克干涉仪的分布式光纤传感器的设计及实验结果分析1 8 3 1 基于萨格纳克干涉仪的分布式光纤振动传感器的系统结构1 8 3 2 基于萨格纳克干涉仪的分布式光纤振动感器设计的原理分析1 9 3 3 实验光路的搭建1 9 3 3 1 传感光纤。2 0 i v 目录 3 3 2 光纤耦合器2 0 3 3 2 12 x 2 光纤耦合器2 0 3 3 2 23 x 3 光纤耦合器2 2 3 4 实验系统的搭建2 3 3 4 1 光源的选用2 3 3 4 2 光信号探测模块2 4 3 4 3 振动源的模拟2 5 3 5 基于萨格纳克干涉仪的光纤传感器的搭建结果及实验验证2 6 3 5 1 传感系统的搭建结果2 6 3 5 2 传感系统的最大探测距离2 6 3 5 3 系统的功能验证一2 7 3 6 本章小结2 8 第四章光同步传输网络和网元 4 1 数字同步体系2 9 4 1 1 数字同步体系信号速率与帧结构2 9 4 1 2 数字同步体系同步复用与映射方法3 0 4 1 2 1s d h 同步复用3 0 4 1 2 2s d h 的映射方式3 1 4 1 3 数字同步体系的网络结构3 3 4 1 4 自愈环3 4 4 1 5 数字同步体系的线路系统和光纤接口3 6 4 2 基于s d h 的多业务传输平台3 8 4 2 1 多业务传输平台的工作原理3 9 4 2 2 多业务传输平台的特点4 0 4 2 3 多业务传输平台的应用4 0 4 3 网元的分类4 1 4 3 1 终端复用器。4 l 4 3 2 分插复用器。4 2 4 3 3 再生中继器4 4 4 3 4 数字交叉连接设备4 4 4 4 网元中的主控技术4 4 v 目录 4 5 本章小结4 5 第五章网元中告警控制电路设计 4 7 5 1 光网络网元中的告警控制板的设计4 7 5 1 1 告警控制板的系统框图4 7 5 1 2 告警控制板的具体设计4 7 5 2 告警控制板的缓启动电路4 8 5 3 告警控制板电压转换模块的电路设计5l 5 4 告警控制板电压检测电路的设计5 l 5 5 告警控制板输入输出隔离电路设计5 2 5 6 告警控制板设计结果5 4 5 7 本章小结5 5 第六章网元中告警控制电路的调试和测试 6 1 告警控制板的上电测试5 6 6 2 信号质量测试6 0 6 - 3 功能测试6 4 6 4 程序烧入测试6 4 6 5 极端测试6 5 6 6 本章小结6 8 第七章总结与展望 7 1 总结6 9 7 2 展望6 9 参考文献 附 硕士期间的研究成果 7 2 v i 第一章绪论 1 1 论文研究的背景及目的 第一章绪论 1 9 9 9 年，随着物联网的概念被提出，它被认定为继互联网之后的下一代网络。 物联网可以划分为标识、感知、处理和信息传送四个环节，其核心环节是传感和 传输。光纤在当今的通信系统中的主要有两种用途，种是光纤传感，另一种是 光纤通信。光纤凭借其自身既可以作为传感器件又可以作为传输媒介必定在物联 网的发展中有广阔的应用空间。智能化的传感和传输系统将是光网络的发展趋势。 本文将对智能光网络中的分布式振动传感和信号传输这两个方面进行研究。 光纤传感技术是一项正在迅速发展的新兴技术。自上世纪7 0 年代以来，它便 在国际上得到了迅速的发展，目前已经成为传感器研究的一个“热门 课题。光 纤传感器具有和普通传感器共有的技术基础和紧密的内部联系，它们之间是互相 补充、相互扩展和相互提高的关系。同时，光纤传感器还具有以下独特的优点【l j ： 1 采用光波传递信息，电气绝缘性能好，抗电磁干扰； 2 光纤是一种电介质，耐高压、耐腐蚀、无电火花，可在易燃和强腐蚀等恶 劣环境中测量，大大提高了检测系统的安全可靠性； 3 由于采用了相位相干技术，提高了检测灵敏度； 4 重量轻、体积小； 5 便于利用光通信和遥感技术，实现远距离测量和控制； 6 光纤传感器频带宽，动态测量范围大。 综上所述，光纤传感不仅是对普通传感器的补充和扩展，在某些特定的情况 下，它还能完成普通传感器不能完成的任务。大力发展光纤传感器具有十分重要 的意义和广阔的前景，而分布式光纤传感是光纤传感的重要分支。 光纤分布式传感器技术是指利用光纤的相关物理特性对被测的空间和时间行 为实时检测，该技术对于大型结构的应变场分布和温度场分布的检测有重要使用 价值1 1 。 在理论上，分布式光纤传感器可以把接收到的信息作为光纤位置长度的函数 【2 1 。可以用一条光纤来取代传统的几百个点阵构成的传感阵列；也可以由光纤和简 单的控制器来代替由许多电缆和各级控制中心组成的复杂电气系统【3 j 。光纤可以方 电子科技人学硕：l 学位论文 便地进行安装，对测量环境产生的干扰很小，成本较低，具有无缘性和电绝缘性。 利用光纤自身具有的“传”和“感”合二为一的特点，可以对庞大和重要的结构进行检 测，如通信光缆、高压电网、输油管道、输气管道、多层建筑、桥梁、水坝、压 力容器、发电机以及武器装备等内部状态或随时间变化的信息进行遥测，从而对 结构中潜在的不利因素作出预警，还可以使人们对被测结构有迸一步了解，以便 在这些结构的基础设计中进行改进【4 】。 分布式光纤传感技术是于2 0 世纪7 0 年代末提出的。主要有利用后向瑞利散 射的传感技术、利用拉曼效应的传感技术、利用布里渊效应的传感技术以及前向 模传输耦合的传感技术等。光后散射法是通过定位检测光纤中的后散光强变化来 判断局部外力、温度变化，进而能评估管线的安全状况。但这些方法得到的信号 较弱，精度不高，且设备昂贵，结构复杂，实用性不强。并且，由于原理上的先 天不足，无中继最长监测距离不超过8 0 k m 。而光干涉法则具有灵敏度高、动态范 围大、响应快、传输距离长，可满足长距离、微小振动检测要求。随着光纤传感 技术的发展，我国也十分重视长距离、高精度的分布式光纤传感器的研究。 除了传感之外，光纤的另一个主要用途就是通信。从原理上讲，光纤通信系 统与其它通信系统的区别只是载波频率的不同，光载波的频率在约1 0 0 t h z 的数量 级【5 】。在光纤通信系统中，光纤的作为是通信系统的通道来传递光信号。 光纤通信技术从光通信中脱颖而出，已成为现代通信技术的主要支柱之一， 在现代电信网中起着举足轻重的作用。光纤通信作为一门新兴技术，其近年来发 展速度之快、应用面之广是通信史上罕见的，也是世界新技术革命的重要标志和 未来信息社会中各种信息的主要传送工具。光纤通信之所以发展迅猛，主要缘于 它具有以下优点1 6 1 ： 1 信道容量大，传输距离远； 2 信号串扰小，保密性好； 3 抗电磁干扰，传输质量佳； 4 光纤线径细，重量轻，便于敷设和运输； 5 抗腐蚀能力强。 光传输网络是智能光网络中的重要组成部分。随着口数据、语音和图像等多 种业务的传送需求的不断增长，光传输网络的地位显得尤为重要。当今光同步传 输网络中的主要技术有s d h 技术和m s t p ( 多业务传输平台) 技术。其中，9 0 年代 引入的s d h ( s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ) 技术日趋成熟。目前，广泛应用于在 各种宽带光纤骨干网、接入网中。此时，在多业务传送需求的大量增长下，基于 2 第一章绪论 s d h 的多业务传输平台即m s t p 技术应运而生。 为了满足越来越庞大的网络需求，对光网络的硬件提出了更高的要求。网元 是基于s d h 技术的光传输网络中的核心。如何监控、控制、管理好网元的的工作 状态，就显得尤其重要。s d h 网络是由一些s d h 网元组成的，是在光纤上进行同 步信息传输、复用、分插和交叉连接的网络1 6 1 。 网元是m s t p 光传输网络中的核心，是负责业务处理和数据传输主要设备。 为了实现光网络的稳定工作，需要设计工作稳定、性能强大、兼容性强的网元设 备。告警控制板管理和控制网元的工作状态、告警输入输出，告警控制板是网元 的核心设备，它的工作情况决定着整个网元的运行情况，并使网元工作更加智能 化。所以，告警控制板的设计就显得尤为重要。目前，爱立信、华为、阿尔卡特 朗讯、诺基亚西门子等公司都从事这方面的研究，并在不断更新其光传输网的产 品。 本文对基于s a g n a c 干涉仪的分布式光纤振动传感器的研究具有非常重大的意 义和广阔的应用空间。同时，本文也对基于m s t p 的光传输网络中的主控硬件设 计进行了研究。希望通过本文的研究，进一步推动基于s a g n a c 干涉仪的分布式光 纤振动传感器和基于m s t p 的光传输网络中的主控硬件设计的研究。 1 2 光纤传感的国内外研究现状 在光纤通信系统中，光纤是作为传输的介质。近年来，随着光纤传感技术的 发展，光纤被迅速的应用于传感领域。光纤之所以能传感，是由于光纤对许多外 界参数有一定的效应，光纤传感器就是利用光纤的这些效应，实现对外界被测参 数的“感”的功能【7 1 ，同时光纤本身又是传输这些参数的介质，这就实现了光纤“传” 的功能。分布式光纤传感就是以铺设的所有光纤作为传感器，通过改变传输光的 强度、波长( 颜色) 、频率、相位、偏振态等参数来感知外界的变化，并可以通过 分布的光纤对被测事件定位。 1 2 1 光纤传感器的研究现状 光纤传感器由光源、入射光纤、出射光纤、光调制器、光探测器及解调器组 成【8 】。光纤传感器的基本原理是将射入光纤的光送入调制区跟外界参数作用，从而 改变光的强度、波长( 颜色) 、频率、相位、偏振态等光学性质；再把改变后的光 送入探测器，从中解调出需要的信息，并通过信号处理把信号转化为想要探测的 3 电子科技大学硕士学位论文 信息。 光纤传感器可以分为两大类：一类是功能型传感器；另一类是非功能型传感 器。功能型传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元；非功能型传感器是 利用其它敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为信息的传输介质。分布式光纤 传感器属于功能型传感器。目前，对分布式光纤传感器的研究常见的有以下九种： o t d r ( 光时域反射仪) 、c o t d r ( 相干o t d r ) 、p o t d r ( 偏振o t d r ) 、b o t d a 布里渊光纤时域分析仪) 、b o t d a ( 布里渊光纤频域分析仪) 、b o t d r ( 布星渊光 时域反射仪) 、r o t d r ( 喇曼光频域反射仪) 、r o f d r ( 喇曼光频域反射仪) 、f b g ( 光纤布拉格光栅) 。 相位调制型分布式传感器常用的相位解调方法包括m i c h e l s o n ( 迈克尔逊) 干 涉仪法、m a c h z e h n d e r ( 马赫一曾德尔) 干涉仪法和s a g n a c ( 萨格纳克) 干涉仪 法进行相位的解调【9 】。 1 2 2 分布式光纤传感器的研究现状 光纤分布式传感是光纤传感的一个重要分支，这个技术是于2 0 世纪7 0 年代 末提出的。分布式光纤传感器是一种本征型的光纤传感器，所有敏感点均分布于 一根传感光纤上。分布式光纤传感器测量是运用光纤的一维特性测量的技术，它 比传统的传感方法具有更多优点。它可以同时获得被测对象的空间分布状态和随 时间变化的信息 4 1 。在理论上，它可以把接收到的信息作为光纤位置长度的函数， 能得到任意大小的分辨力【3 】。目前有两种方式发展比较快，一种是以光纤的后向散 射光或前向散射光损耗时域检测技术为基础的光时域分布式，另一种是以光波长 检测为基础的波长域分布式。 1 9 7 6 年，v a l i 和s h o r t h i l l 将s a g n a c 效应跟光纤结合起来，首先提出了光纤陀 螺概念，从此产生了光纤s a g n a c 传感技术【1 0 1 。基于s a g n a c 干涉仪的分布式光纤振 动传感器由于其对慢变量的环境参数不敏感，可以用于管道泄漏、桥梁、大坝、 光缆等的检测。在信息化飞速发展的今天，城域网、骨干网、海底光缆都是由光 纤进行传输数据，对光缆的检测就显得越来越重要；还有随着我国工业的迅猛发 展，由境外引入我国的石油管道已经是中国的经济命脉，确保石油管道的畅通的 意义显得格外重要。基于s a g n a c 干涉仪的分布式光纤振动传感器使得对一个长达 几百甚至几千千米的系统的监控变得简单而且容易实现。 4 第一章绪论 1 2 3 光时域反射仪在光纤传感中的研究现状 光时域反射仪( o t d r ) 通过发送光脉冲进人输人光纤，由于受到散射粒子的 散射，或遇到光纤断裂面产生菲涅尔反射，利用光束分离器将其中的菲涅尔反射 光和瑞利背向散射光送入接收器，再变成电信号并随时间的变化在示波器上显示。 光的后向散射包括瑞利散射( r a y l e i g hs c a t t e r i n g ) 、拉曼散射( r a m a ns 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 ) 3 种形式【l 。o t d r 主要利用光的后向散射 中的瑞利散射和菲涅尔散射来对断点进行定位的；其工作原理就类似于一个雷达。 它先对光纤发出一个信号，然后观察从某一点上返回来的是什么信息。目前，o t d r 的分辨率国内可以精确到两米，而国外可以精确到一米。o t d r 的框图如图1 1 所 示。 图1 - io t d r 的框图 o t d r 通过发送光脉冲进入光纤，因为光在光纤传输受到散射粒子的散射或 遇到光纤断裂面产生的菲涅尔反射，利用光束分离器将其中的菲涅尔反射光和瑞 利背向散射光送入接收器，再变成随时间变化的电信号在示波器上显示。 欲获得高的空间分辨率，要求信号调理系统具有相当宽的带宽。从信号理论 可知，噪声功率是与带宽成正比的，即宽带放大器将引入更多的噪声；另一方面， 窄的光脉冲所产生的散射能量将更加微弱，一面是噪声增加，一面是信号减弱， 信噪比的恶化是必然的。欲得到规定的测温精度，积分次数必然增加很多，这样 就导致两个后果：一是处理时间的大大增加；另外一个后果就是多次的平均处理 本身就会因为采样位置的波动而导致空间分辨率降低。 基于o t d r 技术而提出的c o t d r ( 相干o t d r ) 、p o t d r ( 偏振o t d r ) 、 b o t d a 布里渊光纤时域分析仪) 、b o t d a ( 布里渊光纤频域分析仪) 、b o t d r ( 布 里渊光时域反射仪) 、r o t d r ( 喇曼光频域反射仪) 、r o f d r ( 喇曼光频域反射仪) 5 电子科技人学硕上学位论文 技术已经广泛应用于分布式光纤传感器的研究中。 1 3 光传输网络中技术的现状 光传输网络中的技术是由最初的p d h ( p l e s i o c h r o n o u sd i g i t mh i e r a r c h y ) 技术 发展到s d h ( s y n c h r o n o u sd i 百t mh i e r a r c h y ) 技术，再发展到基于s d h 的多业务 平台( m s t p ) 。 2 0 世纪8 0 年代，随着数字通信的迅速发展，点到点的直接传输越来越少，而 大部分数字传输都要经过转接，因而p d h 系列便不能适应现代电信业务开发的需 要以及现代化电信网管理的需要。1 9 8 8 年，国际电话电报咨询委员会接受了同步 光网络概念并重新命名为s d h ，使s d h 技术成为具有全球统一信标准的通信技术。 s d h 技术不仅适用于光纤也适用于微波和卫星传输的通用技术体制。 1 3 1 同步数字体系的发展趋势 s d h 技术是因为p d h 技术无法满足现在的数字通信网络而产生。s d h 技术 与p d h 技术相比有以下优点： 1 兼容性好。它能与p d h 完全兼容，并能容纳各种新的业务信号，有全球统 一的比特率，形成了全球统一的数字传输体制标准，提高了网络的可靠性； 2 强大的网管能力。s d h 的帧结构中规定了丰富的网管字节，可提满足各种 要求； 3 s d h 技术拥有自愈保护环。当光纤线路出现问题时，可以自动切换到其它 线路； 4 更灵活的复用方式。s d h 技术采用字节间插方式经行复用。 s d h 技术自从9 0 年代引入以来，至今已经发展为一种成熟、标准的技术，在 骨干网中被广泛采用。s d h 网的沿线分插和自愈能力使其在本地网于接入网中具 有广阔的应用前景【1 2 1 。基于s d h 的接入网络如图1 2 所示。 1 3 2 多业务光传输网络的产生和发展 伴随不断增长的i p 数据、话音、图像等多种业务的传送需求，使得宽带技术 迅速普及起来，同时也促进了传输骨干网的大规模建设。由于业务需求生了巨大 变化，原先以承载话音业务为主要目的的城域网在容量以及接口能力上都已经无 6 第一章绪论 法满足业务传输与汇聚的要求。于是，基于s d h 技术的多业务传送平台( m s t p ) 技术应运而生。 m s t p 技术将传统的s d h 复用器、数字交叉连接器、w d m 终端、2 层交换机 和m 边缘路由器等多个独立的设备集成为一个网络设备，即基于s d h 技术的多业 务传送平台，进行统一的控制和管理【13 1 。 m s t p 技术在城域传输网络中备受关注，并得到了规模应用。m s t p 技术可以 更有效地支持分组数据业务，有助于实现从电路交换网向分组网的过渡。因此， m s t p 技术已成为城域网近期的主流技术之一。基于m s t p 技术的光网络如图1 3 所示。 1 4 本文的主要工作 调制解调器 图1 - 2 基于s d h 技术的接入网络 本文研究了光纤在通信系统中的两大应用方向：光纤传感和光纤通信。本文 的主要工作在于深入研究了基于s a g n a c 干涉仪的分布式光纤振动传感器的设计和 基于m s t p 技术的光传输网络中的主控硬件的设计。 光纤传感部分，本文对于基于s a g n a c 干涉仪的分布式光纤振动传感器进行了 研究。本文首先介绍了光纤传感的原理、应力应变传感原理和s a g n a c 干涉的原理， 并理论上分析计算了基于s a g n a c 干涉仪的分布式光纤振动传感器的定位方式。同 时，本文在理论分析的基础上设计了基于s a g n a c 干涉仪的分布式光纤传感系统的 光路，并搭建了实验系统。对实验系统中应用的器件的选型、参数进行了分析。 最后，本文对搭建的系统进行了实验分析，验证了系统可以提升探测距离。同时 还对系统的振动传感功能进行了定性的验证。 7 电子科技人学硕士学位论文 信号传输部分，本文对基于m s t p 技术的光传输网络中网元内告警控制板电 路进行了设计。本文先详细介绍了光网络中s d h 技术和基于s d h 的多业务传输 平台( m s t p ) 。然后对基于m s t p 的光传输网络中网元的告警控制板进行了设计 和分析，对告警控制板中具体电路的设计进行了分析说明。再完成告警控制板设 计完成后，本文对其电路进行了严格的测试，验证了设计电路的可靠性。设计的 电路通经过修改后通过所有测试，达到了系统要求。 图1 - 3 基于m s t p 技术的光网络 8 第二二章基于萨格纳克干涉仪的分布式光纤振动传感器的理论基础 第二章基于萨格纳克干涉仪的分布式光纤振动传感器的理论基 础 分布式光纤振动传感器是分布式光纤传感的一个分支。分布式光纤振动传感 器就是以铺设的所有光纤作为传感器，通过改变传输光的强度、波长、频率、相 位、偏振态等参数来感知外界的振动，并对振动位置进行定位。基于s a g n a c 干涉 仪的分布式光纤振动传感是分布式光纤振动传感的一个重要的研究方向。 本章将进一步介绍基于s a g n a c 干涉仪的分布式光纤传振动感器的理论基础。 2 1 光纤的应力应变效应传感原理 光纤的应力应变原理是光纤传感基础理论，研究基于s a g n a c 干涉仪的分布式 光纤传振动感器首先要研究此理论。 光波通过长度为l 的光纤，其相位延迟为 缈：2 x n l ：肚 ( 2 1 ) 够= 一2 出 k z 。i ， 。 厶 式( 2 1 ) 中，厶是光在真空中的波长，n 是光纤芯的折射率，为光在光纤 中的传播系数。 对式( 2 1 ) 微分得到式( 2 2 ) a q o = ( 肚) ：肚+ 三笔，l + 三罢缸 ( 2 2 ) o no n 式( 2 2 ) 中，a f o 是l 和p 引起的相位变化，伍为光纤芯的半径，n 为折 射率变化。等式右边第一项表示光纤长度变化引起的相位差( 应变效应或热胀效 应) ，第二项为光纤折射率变化引起的相位差( 光弹效应或热光效应) ，第三项为 光纤芯径变化引起的相位差( 泊松效应) ，其中泊松效应引起的相位差相比前两种 效应小很多，可以忽略不计。 1 光纤应变效应引起的相位差 ，” a ( o = 届缸= 竺，l 址 ( 2 3 ) 。 矗 式( 2 3 ) 中，相位差是由沿光纤长度变化所引起的。 9 电了科技大学硕士学位论文 2 光弹效应引起的相位差 a 够：三望a n ( 2 4 ) 锄 式( 2 4 ) 中，相位差是由折射率的变化所引起的。 根据弹性力学原理，对各向同性材料，其折射率的变化与对应的应变i 有以 下关系( 设切向应变s 。= 占5 = 气= 0 ) 【9 1 ： 鹋 a b 2 皑 a b 4 皑 a b 6 片。眉：只：0 露：毋l 曰：0 墨：墨：露。0 00 o e o0oo o0o0 式中，日。、日2 是光纤的光弹系数， 应变，且毛= 毛，岛是光纤的纵向应变。 b i ：二) ： ，i i 马：( 上) ： 2 垦：( 土) ： 0o 00 oo 0o 咒0 0 匕 毛 岛 毛 0 0 o ( 2 5 ) 匕= 1 2 ( p , 。- 9 2 ) ，q 、乞是光纤的横向 ( 2 6 a ) ( 2 6 b ) ( 2 6 c ) a b 4 = 皑= a b 6 = 0 ( 2 。6 d ) 设n i = n 2 = 1 1 3 = n ，由( 2 5 ) 式和( 2 6 a ) ( 2 6 c ) 式可得： 啊= 一言，1 3 蜀= 一；1n 3 ( 墨。+ 只：) o e i + 昂岛 ( 2 7 a ) 1 1 1 1l 、“ - 1 o j 他= 一与矿 ( 墨+ 月：) e l + 日：e 3 ( 2 7 b ) 因为光在单模光纤传播时沿横向偏振，所以光纤折射率变化引起的相位差是 由横向折射率变化而引起的，可得到下面式( 2 8 ) 纸一署抛= 种洳蚴州：岛 卜 协8 ， 1 0 气 以 觚 趣 孙和争三一 = = 毛 置 b 即 即 皑 第二章基于萨格纳克干涉仪的分布式光纤振动传感器的理论基础 2 2 萨格纳克干涉仪的原理 1 9 1 3 年，萨格纳克( s a g n a c ) 做出了一种可以旋转的环形干涉仪实验装置， 一束射入实验装置的光被分成两束；两束光在环形干涉仪沿相反方向传播一周后 会合并发生干涉，这个现象就是萨格纳克效应。萨格纳克干涉仪的原理就是基于 萨格纳克效应。如今基于萨格纳克效应研制的光纤陀螺已经广泛的应用在航空、 航天领域。 光纤萨格纳克干涉仪结构如图2 1 所示【9 】。 图2 - l 光纤萨格纳克( s a g n a c ) 干涉仪的基本结构 2 x 2 光纤耦合器的输出口分为明口和暗口，其归一化干涉公式分别为 i + c o s ( a 矽) 和1 + c , o s ( a 矽) 。由图2 1 所示，在2 x 2 光纤耦合器的明口，因为沿顺时 针传播的光和沿逆时针传播的光经过振动点的时间不同，两路光被调制后产生相 位差，根据s a g n a c 效应，两束光在光电转换器处的干涉信号为【1 5 】： p ( f ) = 詈 1 + c o s 【甲+ 缈( f ) 一缈。一吃) 】) ( 2 - 9 ) 式( 2 - 9 ) q a ，p o 为输入光功率；伊( f ) 为振动引起的相移；胖为由其他信号引起 的常数非互易相移。 设缈( f ) = s i n ( c o ，t ) 同时令a t f = 7 r