（通信与信息系统专业论文）布里渊分布型光纤温度传感及信号处理技术研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 在认真研究自发布里渊散射产生机理的基础上，首次从理论上分析了布里渊频 移的宽范围温度依赖性，所得结果与已报道的实验数据具有很好的一致性；分析了 受激布里渊散射( s b s ) 的产生机理及其对传感系统的影响，测量了g 6 5 2 和g 6 5 5 光纤的s b s 闽值；搭建了布里渊频域测量系统，测量了g 6 5 2 光纤、g 6 5 5 光纤、碳涂 覆光纤和抗高温光纤在常温下的布里渊光谱，并定性研究了g 6 5 2 光纤布里渊光谱的温 度依赖性：设计了一种高空间分辨率、高测量精度的微波外差检测系统，对系统指 标进行了分析。利用虚拟仪器软件平台l a b v i e w 调用采集卡的驱动实现了布里渊光谱 的数据采集、存储、处理和显示，提高了频谱测量的频率分辨率和系统的实时性。 关键词：光纤，自发布里渊散射，布里渊频移，温度，l a b v i e w a b s t r a c t b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o ni n t ot h em e c h a n i s mo fs p o n t a n e o u sb r i l l o u i ns c a t t e r i n g ， t h ew i d e r a n g et e m p e r a t u r ed e p e n d e n c eo fb r i l l o u i ns h i f ti na no p t i c a lf i b e rh a sb e e n s t u d i e dt h e o r e t i c a l l y , f o rt h ef i r s tt i m et oo u yk n o w l e d g e ，a n dt h eo b t a i n e dr e s u l t sa r ei 1 1g o o d a g r e e m e n tw i t ht h er e p o r t e de x p e r i m e n td a t a t h es t i m u l a t e db r i l l o u i ns c a t t e r i n g ( s b s ) i n f i b e ra n di t si n f l u e n c eo ns e n s i n gs y s t e ma r ea n a l y z e d ，a n dt h es b st h r e s h o l do fg 6 5 2a n d g 6 5 5o p t i c a lf i b e r sh a sb e e nm e a s u r e d t h eb r i l l o u i ns p e c t r ao fo p t i c a lf i b e r s ，g 6 5 2 ，g 6 5 5 ， c a r b o n c o a t e df i b e ra n dh i 曲一t e m p e r a t u r er e s i s t a n tf i b e r , a ti o o mt e m p e r a t u r eh a v eb e e n m e a s u r e d ，a n dt h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo ft e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i co fb r i l l o u i ns p e c t r u mi n g 6 5 2f i b e rh a sb e e nc o n d u c t e d at e m p e r a t u r es e n s i n gs y s t e mw i t hh i g hs p a t i a lr e s o l u t i o n a n da c c u r a c yh a sb e e np r o p o s e d t h ev i r t u a li n s t r u m e n td e v e l o p m e n tp l a t f o r ml a b v i e wi s u s e dt oc a l lt h ed r i v e ro f t h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r d ，n i5 1 1 2 ，t op e r f o r mt h ea c q u i s i t i o n ，s a v i n g ， p r o c e s s i n ga n dd i s p l a yo fb r i u o u i ns p e c t r u m ，w h i c hi m p r o v e st h ef r e q u e n c yr e s o l u t i o no f s p e c t r u mm e a s u r e m e n ta n dr e a l t i m ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mg r e a t l y z h a ol i j u a n ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f l iy o n g q i a n k e yw o r d s ：o p t i c a lf i b e r ，s p o n t a n e o u sb r i l l o u i ns c a t t e r i n g ，b r i l l o u i ns h i f t t e m p e r a t u r e ，l a b v i e w 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文布里渊分布型光纤温度传感及信 号处理技术研究，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： 丝鱼! j 终 日期 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：丝塑鳋 日期：塑! ：! ! ：) o 导师签名： 日期： 查垂轧 塑1 11 ：塾 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景及意义 第一章绪论 在科研、工业和农业生产过程中，温度是检测与控制的重要参数。分布型光纤 传感技术能够连续测量光纤沿线所在处的温度，测量距离可达一百多公里，空间定 位精度可达厘米的数量级，特别适用于需要大范围多点测量的应用场合。正是因为 它具有传统机电类传感器所不具有的优点，所以在对建筑物及化工、电子、冶金、 制药等行业进行多点监控和实时监测隧道( 特别是地铁) 的潜在过热点，以及炼油 厂、档案馆等需要无电流检测的场合中它很有优势，尤其在电力系统中的温度定点 传感场合更是具有广泛的应用前景。 分布型光纤传感技术是目前国内外研究的热点，具备提取大范围测量场的分布 信息的能力，能够解决目前测量领域的众多难题，因此，具有巨大的应用潜力。在 其提出的近三十年里，分布型光纤传感技术得到了很快的发展，该领域的研究主要 集中在以下三个方面：基于后向瑞利散射的分布型光纤传感技术；基于拉曼 散射的分布型光纤传感技术；基于布里渊散射的分布型光纤传感技术。其中基 于瑞利散射和拉曼散射的分布型光纤传感技术的研究已经趋于成熟，并逐步走向实 用化。基于布里渊散射的分布型传感技术的研究起步较晚，但由于它在温度测量上 具有较高的测量精度、测量范围以及空间分辨率，因此这种技术具有非常大的研究 价值。 1 2 布里渊分布型光纤温度传感技术国内外研究现状 目前，基于布里渊散射的温度传感技术的研究方向主要有【1 】：基于布里渊光 时域反射( b o t d r ) 的分布型光纤温度传感技术；基于布里渊光时域分析( b o t d a ) 的 分布型光纤温度传感技术；基于布里渊光频域分析( b o f d a ) 的分布型光纤温度传 感技术。 1 2 1 基于布里渊光时域反射的分布型光纤温度传感技术 基于b o t d r 的分布型光纤传感系统类似于光时域反射计( o t d r ) ，基本框图如图 1 1 所示。 在o t d r 中，当脉冲光在光纤中传输时，在光纤的脉冲光发送端可以检测到由 瑞利散射产生的背向散射光，背向散射光与脉冲光之间的时间延迟提供对光纤位置 信息的测量，背向散射光的强度提供对光纤衰减的测量。在b o t d r 中，背向的自发 华北电力大学硕士学位论文 布里渊散射代替了瑞利散射，由于布里渊散射受温度的影响，因此通过测量布里渊 散射便可得到光纤的温度信息。 图1 1 基于b o t d r 的分布型光纤传感系统基本框图 由于背向自发布里渊散射信号相当微弱( 比瑞利散射约小两个数量级) ，且频 移较小( 约1 1g h z ) ，检测较为困难，因此基于b o t d r 的分布型光纤传感技术的 研究主要集中在布里渊信号的检测上。通常采用的检测方法有直接检测和相干检测 两种。采用直接检测，需要将微弱的布里渊散射从背向散射中分离出来后才能实现 自发布里渊散射信号的测量。p c w a i t 、t r p a r k e r 等分别利用法布里一珀罗 干涉仪实现了布里渊散射与瑞利散射的分离【2 】【3 】 4 1 ，但法布里一珀罗干涉仪所引入 的插入损耗较大( 超过1 0d b ) ，给本来就很微弱的信号带来很大的衰减，对提高 测量精度、缩短测量时间不利。k d es o u z a 在基于自发布里渊散射的分布型光纤 温度传感器的研究中首次利用马赫一泽德干涉仪实现了自发布里渊散射和瑞利散 射的分离，并取得了很好的实验结果【5 】。但由于干涉仪工作易受环境因素的影响， 不适合高精度温度测量。2 0 0 5 年，t p n e w s o n 等人利用微波外差检测法和拉曼 泵浦分别实现了长度1 0 0k m 、温度测量精度0 8 以及空间分辨率5 0m 、长度1 5 0 l 【m 、温度测量精度5 2 c 的传感【6 】【7 1 ，这是目前国际上温度传感领域报道的最高水 平。 1 2 2 基于布里渊光时域分析的分布型光纤温度传感技术 b o t d a 最初是作为一种没有破坏性的光纤损耗测量技术而提出的【8 1 ，在明确温 度和布里渊频移之间的相互关系后，b o t d a 便发展成为一种分布型温度测量技术。 该技术最初由h o r i g u c h i 等人提出。基于该技术的传感器典型结构如图1 2 所示。 处于光纤两端的可调谐激光器分别将一脉冲光( 泵浦光) 与连续光( 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里渊频移相等时，在 该区域就会产生布里渊放大效应，即受激布里渊效应( s b s ) ，两光束相互之间发 生能量转移。由于布里渊频移与小范围温度变化存在线性关系，因此，对两激光器 的频率进行连续调节的同时，通过检测从光纤一端耦合出来的连续光的功率，就可 2 华北电力大学硕士学位论文 确定光纤各小段区域上能量转移达到最大时所对应的频率差，从而得到温度信息， 实现分布型测量。 图1 2 基于b o t d a 的分布型光纤传感系统基本框图 x b a o 等人对b o t d a 进行了大量的研究工作，实现了长度5 l 】皿l 、温度精度为 1 、空间分辨率为5m 的测量【9 1 。 b o t d a 系统的显著特点是利用s b s 效应效应，动态范围大，测量精度高，但系 统较复杂。b o t d a 的泵浦激光和探测激光必须放在被测光缆的两端，因而给实际应 用带来一定的团难；b o t d a 技术不能测断点，应用条件受到限制。 1 2 3 基于布里渊光频域分析的分布型光纤温度传感技术 基于b o f d a 的分布型光纤传感技术是由德国学者d g a r u s 等提出的一种新型 的分布型光纤传感技术【1 0 1 ，实验系统基本框图如图1 3 所示。 图1 3 基于b o f d a 的分布型光纤传感系统基本框图 和b o t d r 、b o t d a 相比，b o f d a 同样利用布里渊频移来实现温度传感，但被测量 空间定位不是传统的光时域反射法，而是通过得到传感光纤的复基带传输函数来实 现的。由于不采用光时域反射法来实现空间定位，因此传感光纤两端所注入的光为 频率不同的连续光，其中探测光( z ) 与泵浦光( ) 的频差a v = 一无约等于传感 光纤的布里渊频移。 为了实现传感光纤复基带传输函数的测量，探测光首先经过频率厶可变的信号 源进行幅度调制，对于每一个调制信号频率厶，在耦合器的两个耦合输出端同时检 3 华北电力大学硕士学位论文 测注入光纤的探测光和泵浦光强度，这样，通过和检测器相连的网络分析仪就可以 确定传感光纤的基带传输函数。最后，对网络分析仪输出信号进行相应的信号处理 即可得到传感光纤上的温度信息。 b o f d a 提出后，d i e t e rg a r u s 等人又做了许多相关的实验，并且实现了空间分 辨率3m ，温度精度5 的测量【1 1 】【1 2 】。但由于系统复杂，且对被测光纤所处环境要 求过高，所以对b o f d a 的研究相对较少。 在国内，近几年来，重庆大学和天津大学等，率先开展了布里渊分布型光纤传 感技术的研究，在理论和实验方面做了大量的工作，但距实用化水平尚存在很大差 距【1 3 】【1 4 】。2 0 0 1 年，浙江大学承担了国家8 6 3 项目“长距离海底管道分布型光纤传 感技术”课题。目前，他们研制的传感器已达到3 的温度传感精度、7 5m 的空 间分辨率，传感长度为2 5k m 【1 5 】【1 6 】【17 1 。 1 3 研究动态 布里渊分布型光纤温度传感技术几乎可以测量所有的物理参量，具有巨大的发 展潜力。从总体来讲，布里渊分布型光纤温度传感技术还处于研究开发阶段，尚有 大量课题急待研究解决，如响应时间的缩短、空间分辨率的提高、测量范围的扩大、 测量精度的改善等等。此外，还需要深入研究分布型光纤传感技术理论，开拓新的 研究领域；研究体积小、噪声低、功率大、稳定性好的光源；研究各种用于特殊条 件的，对被测环境适应能力强的特殊光纤；研究信号检测和处理技术。只有这样， 布里渊分布型光纤传感技术才能实用化，才能在国民经济、国防建设的众多领域中 发挥其巨大的作用。 目前，关于布里渊分布型光纤传感技术的研究动态有以下几个方面： 1 ) 在光纤及其制造方面，广泛研究有各种掺杂光纤，主要为掺稀土光纤，利 用其对特定的被测量敏感且具有非线性光学效应的放大作用，从而提高灵敏度。此 外，研究特种涂覆材料，如碳涂覆光纤、耐高温涂覆，以便扩大测量范围； 2 ) 在信号探测方面，由于一般o t d r 探测技术空间分辨率较低，因此，改进各 种探测技术是很重要的。利用偏振保持光纤双折射参数对许多物理量敏感的特征， 应用外差干涉测量场的大小，并用光程扫描技术对场空间定位，可能是一种十分有 前途的探测技术； 3 ) 在复合材科中埋入光纤，好似结构有了神经系统，从而赋予结构智能功能， 以监控结构的制造过程及运行状态，对航天航空有着极为重要的意义。从而，布里 渊分布型传感技术在复合材料结构的应用也受到高度重视： 4 华北电力大学硕士学位论文 4 ) 现在的系统基本都是单根光纤上一维分布参数测量，而往往很多实际应用 需要测量一个区域面的二维问题或一个区块的立体三维问题的参数分布信息，因 此，研究多维分布型的参数测量技术将是一个极具应用前景但也具挑战性的发展方 向。 1 4 论文的主要研究内容 。 本文主要针对布里渊频移的宽范围温度依赖性进行理论研究，并将虚拟仪器技 术引入布里渊频域测量系统，利用软件平台l a b v i e w 7 1 调用采集卡的驱动，实现 信号的采集和处理。论文的主要研究内容有： 1 ) 在研究自发布里渊散射产生机理的基础上，创新性的理论分析了自发布里 渊散射频移的宽范围温度依赖性，分析结果与已报道的实验数据有很好的一致性； 2 ) 分析了受激布里渊散射的产生机理及其对系统的影响，搭建受激布里渊散 射阈值测量系统，实现了普通通信光纤g 6 5 2 和大有效面积光纤g 6 5 5 的受激布里 渊散射阈值的测量； 3 ) 搭建了布里渊双通马赫一曾德干涉仪频域测量系统，并对系统的各组成部 分进行详细的介绍，重点分析了马赫一曾德干涉仪滤波原理。实现了普通通信光纤 g 6 5 2 、大有效面积光纤g 6 5 5 、碳涂覆光纤和耐高温光纤布里渊散射频谱测量，并 定性研究了普通通信光纤g 6 5 2 布里渊光谱的温度依赖性； 4 ) 在布里渊频域测量系统中，利用虚拟仪器软件平台l a b v i e w 7 1 调用采集卡 的驱动，实现数据采集、处理、存储和显示，提高了系统实时性和频率测量的分辨 率； 5 ) 针对信号的特点采用叠加平均和小波变换相结合的信号处理方案，并对布 里渊频谱信号进行降噪，提高信噪比的同时缩短了信号处理时间。 华北电力大学硕士学位论文 2 1 光纤散射 第二章布里渊散射传感原理 当光波在介质中传播时，大部分是前向传播的，有一小部分会偏离原来的传播 方向而发生散射。对传导光波的光纤而言，散射主要是光纤中非结晶材料在微观空 间的颗粒状结构和玻璃中存在的像气泡这种不均匀结构所引起的，如图2 1 所示。 在散射过程中，散射光不仅在强度、方向上与泵浦光不同，而且部分散射光的偏振 态、频谱特性与泵浦光也不同。 图2 1 光散射示意图 光波在光纤中的传播过程中产生的散射主要有三种：瑞利散射、布里渊散射和 拉曼散射。这三种光散射信号及其频谱分布如下图所示： r a y l e i g h r a m a n ： b r i l l o u i n 端刊教射 拉曼散射 布里鞠教射 图2 - - 2 光纤中的光散射及频谱分布 1 ) 瑞利散射：是入射光与介质中的微观粒子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，是强度最高的散射光成分。 2 ) 布里渊散射：是光纤中的光学光子和光纤中的声学声子发生非弹性碰撞而 华北电力大学硕士学位论文 产生的，强度比瑞利散射小2 0 3 0d b ，在1 5 5 肌波长光纤布里渊频移约为1 1g h z 。 3 ) 拉曼散射：是光纤中的光学光子和光纤中的光学声子发生非弹性碰撞而产 生的，强度比布里渊散射小一个数量级。 在图2 2 所示光纤背向散射频谱分布图中，激发线( v 。) 两侧的频谱是成对 出现的，在低频一侧频率为v o 一y ( a v 为散射谱线与v n 的频差) 的散射光为斯托 克斯光( s t o k e s ) ；在高频一侧频率为v 。+ v 的散射光为反斯托克斯光 ( a n t i s t o k e s ) ，它们同时包含在拉曼和布里渊散射中。在自发布里渊散射时的斯 托克斯光和反斯托克斯光的强度是相当的。 2 2 自发布里渊散射 前面介绍了光波在光纤中传输产生三种散射光，下面重点介绍其中的布里渊散 射。 任何介质在常温状态下，都存在着由其组成粒子( 原子、分子或离子) 自发热 运动所形成的连续弹性力学振动，这种弹性振动引起介质密度随时间和空间周期 性起伏，相应地，在介质内部产生一个自发的声波场。这种自发声波被看作是沿光 纤运动着的光栅。当光定向地射入介质时，它将受到介质内自发声波场的散射作用， 产生自发布里渊散射。自发布里渊散射是光纤中的光学光子和声学声子发生非弹性 碰撞而产生的一种非线性散射过程。声波引起材料的折射率周期性变化使得自发布 里渊散射信号的频率产生了布里渊频移。 布里渊频移由介质的声学特性、弹性力学和热弹性力学特性决定，此外还与 入射光波长厶和泵浦光和斯托克斯光之间的夹角护有关，布里渊散射斯托克斯光相 对于入射光的频移由下式给出 1 ，。= v 。一v ，= 一v 0 = _ 2 n v os i n ( o 2 ) ( 2 一1 ) 0 式中，匕为斯托克斯光频率；k 为反斯托克斯光频率；n 为介质折射率，圪为光纤 中的声速。对于普通石英介质光纤，其散射光主要发生在背向，因此在后面的分析 中，只考虑背向散射的情形，即口= 霄。其中声速圪的计算公式为 v o = j 蔫2 。) p 1 ， ( 1 + ) ( 1 一 。 式中，e 、和p 分别为介质的杨氏模量、泊松比和密度。 将式( 2 2 ) 代入式( 2 1 ) ，并取0 = 7 c ，可得 7 华北电力大学硕士学位论文 v 。：望f q 二型堕 ( 2 3 ) 2 百、面靠葡 心叫 由于 、e 、卢和p 分别是温度的函数，所以当传感光纤的温度改变时，布里 渊频移就会发生相应的变化，通过布里渊频移的检测即可实现对温度的测量。下面 具体介绍布里渊频移与温度的关系。 2 3 布里渊频移与温度的关系 由于自发布里渊散射是由介质声学声子引起的非弹性散射，因此自发布里渊散 射的频移主要取决于介质的声学、弹性力学和热弹性力学等特性。当光纤的温度和 应变等发生变化时，就会引起这些介质特性改变。下面仅就温度对布里渊频移的影 响进行详细的介绍。为了实现基于布里渊频移的宽范围温度测量，我们重点分析布 里渊频移的宽范围温度特性。 光纤中的布里渊频移与光纤材料的多种性质相关，当温度变化时，温度通过热 光效应使光纤折射率发生变化，而温度对声速的影响是通过对e 、和p 的调制 来实现的。因此，、e 、和p 以及均为温度? 的函数，不妨记为n 口) 、e ( d 、 4 t ) 、p ( t ) 和( 乃，由式( 2 3 ) 可得 峒= 警而湍鬻 叫， 2 3 1 光纤的热膨胀系数与温度的关系 热膨胀系数是因温度变化而引起物质量度元素的变化量，它是膨胀一温度曲线 的斜率。固体会因温度改变而引起长度变化，这种变化用线膨胀系数口来描述。如 果长度为珀q 固体因温度上升砑而增长目，这种材料的线膨胀系数岱由以下方程确 定 口：兰土( 2 - - 5 ) z6 实验显示，对于给定的材料，a 值不是常数，而是随温度变化略有变化【1 8 1 ，当 温度变化范围很大时，热膨胀系数就会发生较大的变化。表2 1 给出了纯石英的 线膨胀系数在一5 0 1 0 0 0 c 随温度变化的情况 1 9 】。 表2 l熔石英( 含水量 0 0 1 ) 的线热膨胀系数 n t 印e r a t u r e ， 5 0o2 55 01 0 0 2 0 03 0 04 0 0 5 0 0 6 0 0 8 0 01 0 0 0 l 口x 1 0 6 l0 2 5o 3 8o 4 1 0 4 30 ，4 8o 5 3o 5 6 0 5 70 5 7o 5 60 5 40 5 4 华北电力大学硕士学位论文 一般而言，体积热膨胀系数是线热膨胀系数a 的三倍，即为3 口。 由表2 1 可知，口是随着温度非线性变化的量。通过表2 1 的数据拟合，即 可得口与温度的关系式 a ( t ) = ( 0 3 7 3 6 + 7 3 3 6 2 1 0 4 t 一6 0 3 7 1 1 0 。t 2 ) 1 0 6( 2 6 ) 2 3 2 光纤密度与温度的关系 设一段光纤的质量为m ，初始温度为矗，此时光纤的半径和长度分别为a 。和 厶。当该段光纤的温度变化到r 时，密度为【1 8 】： m p ( 刃2 x a ：l o 1 + 竺c t ( t - t o 一) 3 4 p ( t o ) ( 1 3 必n ( 2 - - 7 ) 式中，r = r 一瓦为温度变化量，p ( 兀) 表示温度为t o 时的光纤密度。 当温度大范围变化时，由表2 1 可知，口是随着温度变化的量，所以光纤密度 和温度之间的关系并不是简单的线性关系。当温度从2 0 上升到i o o o 时，通过 热膨胀系数推导出光纤材料密度和温度之间的二次关系式为： p ( ，) = 2 2 0 0 1 7 0 4 4 0 3 5 8 x 1 0 3 t + 3 8 6 1 0 。7 t 2 ( 2 8 ) 2 3 3 光纤折射率与温度关系 光纤折射率与温度的关系可表示为： n ( d = 捍( 2 o ) + n r a t 式中，n ；为折射率n 的温度系数，n ( t o ) 表示温度为t o 时的折射率。 通常，温度对折射率的影响，都与热膨胀系数口联系在一起【2 0 】： 砌锄锄加锄锄 b 2 石2 瓦+ 石高2 而- 3 a p 丽 由于口是一个随温度变化的量，可知 ；并非常数，所以折射率和宽范围温度之 间的非线性必须考虑。当温度从2 0 上升到9 0 0 时，通过实验数据【2 0 】拟合可得 光纤材料折射率与温度之间的二次关系式为： n ( r ) = 1 4 4 3 5 + 2 1 2 3 3 x 1 0 5 t + 0 6 1 0 8 t 2( 2 - - 1 1 ) 2 3 4 光纤的物性系数与温度的关系 当温度发生变化时，光纤的自由能会发生相应的变化，使得光纤的物性系数如 弹性模量、剪切模量、泊松比发生变化，进一步地引起布里渊频移的变动。 在弹性范围内大多数材料服从胡克定律，即变形与受力成正比。纵向应力与纵 向应变的比例常数就是材料的弹性模量e ，也叫杨氏模量；横向应力与横向应变的 ) ) 9 o 一 1 2 一 ( 2 ( 华北电力大学硕士学位论文 比例常数就是材料的剪切模量g ；横向应变与纵向应变的比值称为泊松比t ，也叫 横向变形系数，它是反映材料横向变形的弹性常数。 1 ) 弹性模量e 与温度的关系 在2 0 9 0 0 的范围内，仔细研究实验数据【2 1 】，发现利用最d , - - 乘法进行 二阶拟合能更好地描述弹性模量随温度的变化情况 e ( d = ( 7 2 6 8 4 + 1 2 8 5 x 1 0 - 3 t 一4 4 9 7 8 x 1 0 7 1 x 1 0 ”n m 2( 2 - - 1 2 ) 2 ) 泊松比与温度的关系 同弹性模量一样，分析比较实验数据【1 9 】，可得出2 0 1 0 0 0 范围内泊松比与 温度的二次关系式为： ( 乃= o 1 6 6 4 + 2 8 1 6 2 x 1 0 4 t 一2 0 6 9 6 x 1 0 一t 2( 2 - - 1 3 ) 2 3 5 布里渊频移与温度的关系 前面分别推导了热膨胀系数、密度、折射率、弹性模量和泊松比与宽范围温度 的关系式。最后，利用热膨胀系数的实验数据【1 9 】、折射率的实验数据伫们、弹性模量 的实验数据 2 h 和泊松比的实验数据【1 9 1 拟合布里渊频移与大范围温度变化的关系式 为 y b i ( r ) 一1 0 0 0 0 = 1 0 7 0 3 0 4 9 + 1 4 5 9 9 t o 0 0 0 3 9 t 2 m a z ( 2 - - 1 4 ) 图2 3 给出了式( 2 1 4 ) 所表示的布里渊频移在2 0 8 2 0 范围内的变化曲 线。为了显示方便，图中纵坐标为。一1 0 g h z 。 图2 3理论分析所得布里渊频移与温度关系曲线 0 华北电力大学硕士学位论文 2 3 6 高温布里渊频谱测量 为了验证上述分析的正确性，我们将理论分析结果与文献 2 2 给出的实验结果 进行比较。 文献 2 2 所用的高温布里渊频谱测量实验系统如图2 4 所示。光源采用中心 波长1 5 5 0n m 的半导体激光器( l d ) ，其输出功率约4m w ，线宽小于1m h z 。激光 通过环形器将功率3m w 的连续光注入到传感光纤中，来自光纤的背向散射光经环 形器送入掺铒光纤放大器e d f a ( 增益为4 0d b ) 进行放大。通常，除了微弱的布里 渊散射信号，背向散射光还包括远远大于布里渊散射的光纤端面的费涅尔反射和由 光纤产生的瑞利散射信号。实验中，在光纤远端把一小部分光纤卷成直径小于5m i l l 的圈消除费涅尔反射；e d f a 的输出光经过插入损耗小于2 6d b 、臂长由圆筒形压 电陶瓷( p z t ) 控制的双通马赫一曾德干涉仪( m z i ) ，该干涉仪在信号检测单元用 作窄带光滤波器，从光纤背向散射中虑除瑞利散射、提取布里渊信号。m z i 的自由 程是2 1 2g h z ，相当于常温下布里渊频移的两倍，瑞利信号抑制比大于4 0d b 。然 后，将m z i 输出光的频谱通过精细度大于2 0 0 ，自由程为1 0g h z 的扫描法布里一珀 罗干涉仪( f p i ) 快速扫描。f p i 输出的光电检测信号通过模数转换器，在3 5s 内 扫描2 0 0 0 次进行平均并在电脑上显示。这个平均系统的频谱分辨率为1m h z 甚至 更好。 被测光纤是商业上常规的色散位移光纤。色散位移光纤是通过改变光纤的结构 参数、折射率分布形状，力求加大波导色散，从而将零色散点从1 3 1 0n m 位移到1 5 5 0 n m ，实现1 5 5 0n m 处最低衰减和零色散波长一致。这种光纤工作波长在1 5 5 0n m 区 域，非常适合于长距离单信道光纤通信系统。 豫f i b e r 图2 4 高温布里渊频谱测量系统 b ：布里渊散射光；r ：瑞利散射光。 将测量的加热过程的布里渊频移数据和冷却过程的布里渊频移数据分别进行 华北电力大学硕士学位论文 平均，并绘出曲线，如图2 5 所示。通过对实验曲线利用基于最小二乘法的二阶 多项式拟合，结果如下： v b ( 丁) 一1 0 0 0 0 = 4 8 8 2 + 1 2 6 9 4 t 0 0 0 0 4 t 2 删z ( 2 1 5 ) 通过对比式( 2 - - 1 4 ) 和式( 2 - - 1 5 ) 、图2 3 和图2 5 可以看出实验结果和 理论分析基本吻合。理论分析与实验结果存在的误差可从下面两方面分析：理论 分析是从纯石英着手，实验测量的光纤是商业上常规的色散位移光纤。光纤结构的 不同和掺杂的不同都会对布里渊频移造成影响。理论分析所用数据和实验加热过 程、条件不同，从而导致误差产生。 霎 一 l ； 耄 考 誊 ，一 j， ， - 扣l 呷w 锄n 一 图2 5 实验测量温度和光纤布里渊频移的关系曲线 温度在环境温度附近小范围变化时，光纤中布里渊频移与温度之间存在近似的 线性关系，许多文献也进行了理论推导与实验验证。但是当温度变化范围增大时， 例如在2 0 至t j 8 2 0 范围内，布里渊频移与温度就不是简单的线性关系。我们从理论 上推导出宽范围布里渊频移温度特性关系式，并与实验结果具有很好的一致性。 目前，就传感温度范围而言，已经报道的基于布里渊分布型光纤温度传感技术 的研究主要集中在环境温度附近，对高温范围的传感则报道甚少。而一些特殊的工 业应用场合迫切需要实现更高温度的分布型传感。因此，本文的研究对于实现布里 渊分布型高温传感很有意义。 2 4 受激布里渊散射阈值 在基于自发布里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 来实现传感测量的。为了提高测量系统的信噪比，往往希望在不发生受激布里渊散 射的情况下在传感光纤中注入尽可能大的泵浦光功率，以得到较强的自发布里渊散 射信号。对于不同的光纤，受激布里渊散射阈值是不同的，因此，有必要对传感光 纤的受激布里渊散射阈值进行研究，以便确定系统适当的入纤功率。首先介绍一下 1 2 华北电力大学硕士学位论文 受激布里渊散射的产生机理。 2 4 1 受激布里渊散射 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。与自发布里渊散射是由介质内自发弱声波场引起的不同， 光纤中的受激布里渊散射是强感应声波场对入射光作用的结果。当进入光纤频率为 v o 的入射光泵浦功率超过某一阈值时，光纤内产生的电致伸缩效应使得沿光纤产生 周期性形变或弹性振动，即光纤中产生了频移为，。的相干声波。该声波沿其传播方 向使光纤折射率被周期性调制，从而形成了一个以声速圪运动的折射率光栅，此折 射率光栅通过布拉格衍射入射光。由于多普勒( d o p p l e r ) 效应，散射光频率下移v 。， 即产生了频率为1 ，= y o v 。的s t o k e s 散射光。满足波场相位匹配的声波场得到极大 增强，从而使光纤内的电致伸缩声波场和相应的散射光波场的增强大于它们各自的 损耗，将出现声波场和散射光场的相干放大，从而导致大部分传输光功率被转化为 后向散射光，产生受激布里渊散射( s b s ) 。 在s b s 过程中，相对于光波而言，声波的能量可忽略，因此在不考虑声波的情 况下，这种s b s 过程可以概括为频率较高的泵浦光的能量向频率低的斯托克斯光转 移的过程。这样受激布里渊散射可以看成仅仅是在有泵浦光存在的情况下在电致伸 缩材料中传播的斯托克斯光经历了一个光增益的过程。在受激布里渊散射中，虽然 理论上反斯托克斯和斯托克斯光都存在，一般情况下只表现为斯托克斯光一种频率 分量。 2 4 2 受激布里渊散射阈值定义 阈值特性是s b s 的重要特性之一，即只有当入射激光强度超过一定的激励阈值 后，s b s 才会发生。s b s 的阈值泵浦功率是指输出的斯托克斯光功率与泵浦光功率 相等时的输入端泵浦光功率，由此可得到发生在l 晦界泵浦功率。处的布里渊阈值计 算公式为1 2 3 】： 丛。2 1 ( 2 一1 6 ) 白 式中，g 。为布里渊增益峰值，a , s 为有效纤芯截面积，工咿是光纤的有效作用长度， 其计算公式为： o = 1 一e x p ( - p l ) 】( 2 - - 1 7 ) 式中，是光纤长度，口是光纤衰减系数。 若利用1 5 5 0r l m 光通信系统中的光纤的典型值：a 咿= 5 0 岫2 ，a2 0k m ， 华北电力大学硕士学位论文 g 。= 5 1 0 。1m w ，则由式( 2 1 6 ) 预测其l 临界泵浦功率只约为1m w 。由于布 里渊阂值如此之低，因而使s b s 成为光纤中主要的非线性过程。 式( 2 1 6 ) 预测的布里渊阂值只是一个近似值，而在实际中，很多因素造成 有效布里渊增益降低。例如，当泵浦光完全无规偏振时，s b s 阈值增大5 0 2 4 1 。光 纤的非均匀性也能影响光纤中的有效布里渊增益。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s b s 的阈值在一定程度上与制造光纤时光纤掺杂浓 度变化有关【2 5 】。与此类似，布里渊频移v 。沿光纤纵向变化能降低有效布里渊增益， 增大s b s 阂值【2 “。因与光纤芯径有关，故可以用这些特征人为的改变芯径来抑制 s b s 效应。这种思想的一个变形是，利用非均匀掺杂可以沿光纤改变v 。【2 ”。在1 5 5 “m 附近，这种光纤的s b s 阈值超过3 0m w 。 2 4 3 受激布里渊散射阈值测量 受激布里渊散射阈值测量系统如图2 6 所示。激光器选用s a n t u r 公司 t l 一2 0 2 0 一c 一1 0 2 a 型波长可变半导体激光器，连续光输出功率约为2 0m w 。可调衰减 器的衰减范围为o 3 5d b 。光功率计选用武汉奥林特光电设备有限公司p m 3 2 h 型， 功率测量范围为一6 0 + 2 5d b m 。首先将可调衰减器的衰减调到最大，然后打开激光 器发射一束功率约2 0m w 的光波通过可调衰减器和耦合器注入到光纤中，使用光功 率计在位置1 处测量光纤传输光功率、位置2 处测量入射光功率、位置3 处测量散 射光功率。通过可调衰减器调节注入到光纤中的光功率，从而实现受激布里渊散射 阈值的测量。 光纤 图2 6 受激布里渊散射阈值测量系统 该测量方法采用对光纤的传输光和背向散射光的测量来确定其受激布里渊阈 值的大小。透过测量得到g 6 5 2 光纤传输光功率、背向散射光功率与入射光功率之 间的关系，如图2 7 所示。随着入射光的增加传输光也迅速变大，但是当入射光 功率超过4 6m w 后，传输光出现了饱和的趋势。背向散射光随着入射光的增加缓 慢增长，但当入射光功率在4 6m w 附近时，背向散射光开始迅速增加。根据背向 散射光开始迅速增加或者传输光开始出现饱和时的入射光功率即为受激布里渊散 4 华北电力大学硕士学位论文 射阈值的定义，可以测得g 6 5 2 光纤的受激布里渊散射阈值约为4 6m w 。使用相同 的方法测得大有效面积光纤g 6 5 5 的受激布里渊散射阂值约为1 2 6m w 。 传 输 光 功 赢 图2 7 传输光、背向散射光与入射光功率之间的关系 背 向 散 射 光 功 瘩 华北电力大学硕士学位论文 第三章布里渊测量系统 第二章介绍了布里渊散射的传感原理，理论分析了布里渊频移与温度的关系。由于 不同的光纤布里渊特性不同，为了拓展研究领域，需要对多种光纤布里渊频谱以及温度 依赖性进行研究。本章具体介绍了布里渊频域测量系统，测量了l e a f 光纤、耐高温光 纤、碳涂覆光纤和g 6 5 2 光纤常温下的布里渊频移，并定性g 6 5 2 光纤布里渊频谱随温 度变化情况。在布里渊频域测量系统的基础上，设计了基于微波外差检测布里渊传感 系统。 3 1 布里渊频域测量系统 布里渊频域测量系统框图如图3 1 所示，具体实验装置如图3 2 所示。该系 统主要利用马赫一曾德干涉仪的干涉特性来实现光纤背向散射信号中布里渊散射 与瑞利散射的分离，光谱仪实现布里渊散射频谱的检测。系统中的每一部分对整个 系统功能的实现都起着重要的作用，下面就各部分进行详细的介绍。 加热 一一一 图3 1 布里渊频谱测量系统 图3 - 2布里渊频谱测量系统的实验装置 华北电力大学硕士学位论文 3 1 1 激光器 测量系统要达到一定的测量精度。需要通过对信号进行叠加平均处理以提高信 噪比，因而对光源的稳定性有较高的要求。 本系统选用s a n t u r 公司t l 一2 0 2 0 一c 一1 0 2 a 型波长可变半导体激光器，其工作波 长为1 5 5 0n m ，输出光谱的线宽为1 6m h z ，频率误差为0 4 0g h z ，连续光输出功 率约为2 0m w ；激光器输出光通过1 0d b 衰减器器注入被测光纤，入纤功率约为1m w 。 3 1 2 传感光纤的选择 本实验系统根据不同的实验环境进行了光纤的筛选工作。 1 ) 常规单模光纤g 6 5 2 g 6 5 2 使用非常广泛，国内的传输网基本上使用的都是g 6 5 2 。如果能充分利用光 传输网中的g 6 5 2 备纤进行传感，具有很大的经济价值。 2 ) 大有效面积光纤 大有效面积光纤属于g 6 5 5 中的一种特种光纤。它的大有效面积能提供更高的 光功率承载能力、更好的信噪比、更长的放大器间距，给密集波分复用( d w d m ) 信 道规划设计以最大的灵活性。l e a f 光纤除了在常规波段( c 波段：1 5 3 0 胂1 5 6 5 阚) 优越于其他的n z d s f s 光纤外，还有助于新一代光纤网络技术的发展，即移向 长波段( l 波段：1 5 6 5 _ c m 1 6 2 5 舯) 的应用。由于l e a f 光纤具有其他光纤无 法比拟的优点，它的应用前景非常广阔，因而对l e a f 光纤布里渊散射频谱的研究 很有意义。 3 ) 耐高温光纤一h t c 2 0 0 和一p 1 3 0 0 目前，就传感温度范围而言，已经报道的基于布里渊分布型光纤温度传感技术 的研究主要集中在环境温度附近，对高温范围的传感则报道甚少。而一些特殊的工 业应用场合迫切需要实现更高温度的分布型传感。因此，对于高温传感的研究非常 有必要。普通的光纤在高温环境下无法完成传感测量工作，所以有必要对耐高温光 纤的频谱特性进行研究。 一h t c 2 0 0 耐高温特种单模光纤可应用于高温恶劣环境下传感，纤芯为掺锗的石 英，包层为纯石英材料，涂覆层为抗高温聚酯材料，能够在一4 0 至1 j + 2 0 0 范围内使 用。 一p 1 3 0 0 耐高温特种单模光纤可应用于高温恶劣环境下传感，纤芯为掺锗的石 英，包层为纯石英材料，涂覆层为聚酰亚胺材料，能够在一6 5 至u + 3 0 0 温度范围内 长期使用。 1 7 华北电力大学硕士学位论文 4 ) 碳涂覆单模光纤 碳涂覆光纤由于其特有的防水、防腐蚀、抗疲劳特性，广泛应用于海底光缆和 一些特殊的应用环境中。海底以及。些腐蚀环境下的温度传感测量就可以利用碳涂 覆光纤实现。 碳涂覆光纤即在石英光纤的表面涂覆碳膜的光纤。其机理是利用碳素的致密膜 层，使光纤表面与外界隔离，以减少光纤的机械疲劳损耗。碳涂覆光纤能有效的截 断外界氢分子的侵入。据报道它在室温的氢气环境中可维持2 0 年不增加损耗。它 在防止水分侵入的同时延缓机械强度的疲劳进程，其疲劳系数可达2 0 0 以上。 3 1 3 光放大器和光滤波器 从耦合器出来的背向布里渊散射信号非常微弱，必须经过掺铒光纤放大器 ( e d f a ) 放大。由于e d f a 的自发辐射，经过e d f a 放大的信号包含较强的自发辐射 噪声。利用光环形器和布拉格光栅组成的光滤波器可以滤除大部分自发辐射噪声。 综合考虑e d f a 工作波长范围、输入光功率范围、信号增益以及噪声指数等指 标，系统选用武汉光讯公司生产的e d f a p a 一1 一x f c