（通信与信息系统专业论文）基于布里渊散射的分布传感技术研究.pdf

中文摘要 管道运输系统作为种安全、经济的运输方法已广泛应用于石油、天然气等 工业部门中，然而近年来输油管道被打孔盗油案件时有发生，造成了巨大的经济 损失，这使得油气管线自动监测技术变得日益重要。本文针对现有的石油、天然 气管道安全检测技术存在的只能在泄漏后进行报警、定位的问题，提出了一种有 效可行的基于布里渊散射光时域反射( b o t d r ) 技术的分布式光纤温度应变传 感系统相干自外差布里渊散射分布式光纤传感系统，并完成了部分实验研 究。 本文就目前分布式光纤传感研究中的热点进行分析比较，确立了课题研究方 向，结合课题研究重点，对光纤中自发布里渊散射及其传感机理进行了较为深入 的理论分析，提出了利用布里渊散射和瑞利散射信号的强度比，臣l j l a n d a u p l a c z e k r a t i o ( l i 冲) 实现温度应变同时测量的方法，能够有效抑制光路上的各种损耗 对布里渊散射光功率的影响，针对提出的系统整体设计方案进行了主要子系统的 详细分析和相关器件的选择，提出了在电域里对布里渊频谱进行扫描实现布里渊 频移的测量，并对系统的空间分辨率、信噪比、应变温度分辨率、系统时间分 辨率等主要性能参数做了重点分析和计算，利用v e r i l o gh d l 硬件描述语言在 q u a r t u si i5 1 f p g a 开发平台下完成了脉冲的产生，设计了脉冲整形、放大电路， 最后根据设计方案搭建系统，完成了受激布里渊散射阈值和布里渊频移的测量等 部分实验工作，为系统下一步工作的展开打下坚实的基础。 关键词：分布式光纤传感b o t d r 相干自外差布里渊频移l r p a b s t r a c t t h e p i p e l i n et r a n s p o r ts y s t e ma sas a f ea n de c o n o m i c a lm e t h o do ft r a n s p o r t a t i o n h a sb e e nw i d e l yu s e di np e t r o l e u m ，n a t u r a lg a sa n do t h e ri n d u s t r i a ls e c t o r s ，h o w e v e r , i nr e c e n ty e a r st h ec a s e so fo i ls t e a l i n gb yd r i l l i n ga l o n gt h eo i lp i p e l i n eo c c u rf r o m t i m et ot i m ea n dr e s u l ti ne n o r m o u se c o n o m i cl o s s ，w h i c hm a k e sa u t o m a t i cm o n i t o r i n g t e c h n i q u eo fo i la n dg a sp i p e l i n e sb e c o m e si n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t i nt h i sp a p e r , f a c i n g t ot h ep r o b l e mo ft h a tb ea l a r m e da n dl o c a t e do n l ya f t e rt h el e a ki nt h ee x i s t i n g s e c u r i t yd e t e c t i o nt e c h n i q u eo fo i l g a sp i p e l i n e s ，w eb r i n gf o r w a r da ne f f e c t i v ea n d v i a b l ed i s t r i b u t e df i b e rs e n s i n gf o rt e m p e r a t u r ea n ds t r a i n s y s t e mt h a tb a s e do n b o t d r , w h i c hi sc o h e r e n ts e l f o h e t e r o d y n ed i s t r i b u t e df i b e rs e n s i n gs y s t e m ，a n d c o m p l e t es o m ee x p e r i m e n t a ls t u d y i nt h i sp a p e r , w ea n a l y s et h ec u r r e n th o t s p o ts t u d yo fd i s t r i b u t e df i b e rs e n s i n gt o e s t a b l i s ht h er e s e a r c hd i r e c t i o no fo u rs t u d y , m a k ed e e p l ya n a l y s i sf o rt h et h e o r e t i c so f 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 ga n dt h em e c h a n i s mo fi t ss e n s i n ga n da d v a n c ea m e t h o do ft h e t e m p e r a t u r e s t r a i nm e a s u r e m e n ta tt h es a m et i m eu s i n gb r i l l o u i n s c a t t e r i n ga n dr a y l e i g hs c a t t e r i n gs i g n a li n t e n s i t yr a t i o ，t h a ti sl a n d a u p l a c z e kr a t i o 0 - r _ o ) ，w h i c hc a ne f f e c t i v e l yi n h i b i tt h ei m p a c t so fv a r i o u sl o s st ot h eb r i l l o u i n s c a t t e r i n gs i g n a li n t e n s i t y t h e nw eh a v ead e t a i l e da n a l y s i so ft h em a i ns u b s y s t e m s a n dt h ec h o i c eo fd e v i c e s ，a n di n t r u d u c et h ed e s i g no ft h e b r il l o u i nf r e q u e n c ys h i f t m e a s u r e m e n tt h a tb ys c a n n i n gt h eb r i l l o u i ns p e c t r u mi ne l e c t r i c a lf i e l d t h e nf o c u so n t h em a i n p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so fs y s t e m ，w ea n a l y s i st h e s y s t e ms p a t i a l r e s o l u t i o n ，s n k s t r a i n t e m p e r a t u r er e s o l u t i o na n dt e m p o r a lr e s o l u t i o n c o n s i d e r i n gt h e i m p o r t a n c eo ft h ep u l s es o u r s e ，c o m p l e t et h ep u l s eg e n e r a t i o nw i t hv e r i l o gh d li nt h e f p g ad e v e l o p m e n tp l a t f o r mq u a r t u si i5 1a n dt h ed e s i g no ft h ep u l s es h a p i n ga n d a m p l i f i n g f i n a l l ya c c o r d i n gt ot h es y s t e md e s i g n ，w ec o m p l e t et h em e a s u r e m e n to f 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 gt h r e s h o l da n db r i l l o u i nf r e q u e n c ys h i f ta sp a r to f t h ee x p e r i m e n t a lw o r k , w h i c hl a y sas o l i df o u n d a t i o nf o rt h en e x ts t e po ft h es y s t e m k e yw o r d s ：d i s t r i b u t e df i b e rs e n s i n g ，b o t d r , c o h e r e n ts e l f - h e t e r o d y n e ， b r i l l o u i nf r e q u e n c ys h i f t ，l r p 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和取得的 研究成果，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，也不包含为获得叁盗盘鲎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。 学位论文作者酶玉专研 签字日期r 川年6 月乒日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘盗盘鲎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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位沦文作者签名： 签字口期：伽d j ；年 王南研 f 6 月争日 导师弛j 甭蓼一叫p 厂 签字日期：沙毋声厂月乒日 第一章绪论 1 1 光纤传感技术 第一章绪论 自上世纪七十年代低损耗石英光纤突破以来，光纤作为新一代通讯技术的新 材料，带动了全球光通讯技术的蓬勃发展，已形成全球的新产业。光纤本身具有 许多优良特性，它不仅可以作为光波的传播媒质，而且光波在光纤中传播时表征 的特性参量( 振幅、相位、偏振态、波长、光强等) 在外界位移、压力、温度等 因素的作用下直接或间接发生变化，从而可以将光纤作为传感元件来探测各种物 理量，由此诞生了新一代传感技术光纤传感技术【1 1 。它集材料、光电子、信 息、光机电一体化、物理、化学、计算机等多学科交叉与多种技术于一体而形成 的一种高新技术领域。主要包括光纤传感敏感材料与传感探头、光传感专用器件 和光纤传感系统与网络等，经过几十年的发展，光纤传感已在电力、石油、生化、 医疗、环保、国防、安全等多个领域广泛应用。 与传统的各类传感器相比，新型的光纤传感器具有以下几个特点【2 3 】： ( 1 ) 优良的传光性能，传光损耗很小，目前损耗可达到郢2 d b k m 。 ( 2 ) 传感器频带宽，可进行超高速测量，灵敏度和线性度比较好。 ( 3 ) 传感器体积小，重量轻，能在恶劣环境下进行非接触式、非破坏性和远 距离测量等。 除此而外，光纤传感器还具有抗电磁干扰、防雷击、防水、防潮、耐高温、 抗腐蚀、抗高压、可挠曲等特点。 光纤传感器从不同的角度具有不同的分类方式【4 】，根据光纤在传感器中的作 用可分为两大类：功能型和非功能型。功能型光纤传感器是利用光纤本身的特性 把光纤作为敏感元件，所以也称传感型光纤传感器或全光纤传感器；非功能型光 纤传感器是利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为传输介质，传输来 自远处或难以接近场所的光信号，所以也称为传光型传感器或混合型传感器。按 光波在光纤中被调制的原理进行分类，光纤传感器可分为：强度调制、相位调制、 频率调制、偏振调制、波长调制等不同工作原理的光纤传感器。从应用的观点出 发，可将光纤传感器分为工业( 包括生物医学) 应用和军事应用两大类。其中工业 用光纤传感器又包括机械量光纤传感器、温度传感器、电磁传感器、化学传感器、 生物医学传感器等。 第一章绪论 利用光纤的一维特性，把被测量作为光纤位置长度的函数，可以在整个光纤 长度上对沿光纤几何路径分布的外部物理量进行连续的测量。利用分布式光纤传 感技术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，从理论上说它 满足被测量是光纤位置长度的函数，而且能够得到任意大小的分辨犁5 8 】。分布 式光纤传感技术作为一种新型的传感技术，其发展也经历了准分布式、分布式两 个阶段。 1 2 分布式光纤传感技术 1 2 1 分布式光纤传感技术的特点 分布式光纤传感技术以其可对被测量场的连续空间进行实时测量的特点而成 为光纤传感技术中引人注目的一项新技术，它不仅具有一般光纤传感器的特点， 而且充分利用了光纤空间连续分布的特点，在沿光纤分布的路径上同时得到被测 量的时间和空间上的分布信息，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。其基本特征为： 1 ) 分布式光纤传感系统中的传感元件仅为光纤； 2 ) 一次测量就可以获取整个光纤区域内被测量的一维分布图，将光纤架设 成光栅状，就可测定被测量的二维和三维分布情况； 3 ) 系统的空间分辨力一般在米的量级，因而对被测量在更窄范围的变化一 般只能观测其平均值； 4 ) 系统的测量精度与空间分辨力一般存在相互制约关系； 5 ) 检测信号一般较微弱，因而要求接收端的信号处理系统具有较高的信噪 比： 6 ) 由于在检测过程中需进行大量的信号加法平均、频率的扫描、相位的跟 踪等处理，因而实现一次完整的测量需较长的时间 分布式光纤传感器具有将传输与传感媒质合二为一的特性，使得沿布设路径 上的光纤全部成为敏感元件，同时由于光纤传输损耗小，所以可实现几十甚至上 百公里的全分布式测量。将传感光纤埋置于被测体内，可对参数变化进行实时检 测，这有利于大范围网络化和智能化的发展，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，性价比很高。如果将光纤纵横交错地铺设成网状， 可构成具备一定规模的监测网，实现全方位监测，克服传统点式监测漏检的弊端， 提高监测的成功率。分布式光纤传感器应铺设在结构易出现损伤或者结构的应变 2 第一章绪论 变化对外部的环境因素较敏感的部位以获得良好的监测结果。 1 2 2 分布式光纤传感技术研究现状 分布式光纤传感的概念被提出后，以其可以预测的诸多优点而备受关注，一 度成为研究热点而方兴未艾，在短短的几十年内得到了飞速发展。基于光纤中的 瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射等的传感技术是分布式光纤传感技术的主要代 表，其中基于瑞利散射和拉曼散射的分布式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传感技术的研究起步较晚，但由于它 在温度、应变测量上所达到的测量精度、测量范围以及空间分辨率均高于其他传 感技术，因此这种技术目前得到广泛的关注与研究。 1 2 2 1 基于瑞利散射的分布式光纤传感技术 由于光纤中存在成分和密度的不均匀，使得折射率的微观呈现不均匀性，当 激光脉冲在光纤中传输时会产生瑞利散射。在利用瑞利散射的光纤传感技术中， 一般采用光时域反射( o t d r ) 结构来实现被测量的空间定位，典型传感器的结 构f 9 l 如图1 - 1 所示。 被测场 上上 瑞利散射 图1 1 基于瑞利散射传感系统框图 上上 该技术的发展初期，主要是通过记录沿传感光纤后向瑞利散射光的强度来检 查光纤的衰减和连续性，确定光纤各处的损耗、光纤故障点和断点的位置。后来 根据瑞利散射系数随温度的变化，利用瑞利散射光强度与温度的调制关系，将该 技术用于测量光纤沿线的温度场分布。此外该技术还可用于测量光纤的微弯损 耗、应变应力以及管线检测等。 依据瑞利散射光在光纤中受到的调制作用该传感技术可分为强度调制型【1 0 1 和偏振态调制型】，它们分别利用光纤的吸收、损耗特性或瑞利散射系数和在光 纤中传播光波的偏振态受外界物理量的调制来实现外部物理量的传感测量的。基 第一章绪论 于瑞利散射的传感技术是现代分布式光纤传感技术的基础，它在8 0 年代初期得到 了广泛的发展，然而由于该技术测量精度低、传感距离短，目前关于这方面的研 究报道也越来越少。 1 2 2 2 基于拉曼散射的分布式光纤传感技术 光通过光纤时，光子和光纤中的光声子会产生非弹性碰撞，发生拉曼散射， 产生了长波长斯托克斯光( s t o k e s ) 和短波长反斯托克斯光( a n t i s t o k e s ) 。斯 托克斯光与反斯托克斯光强度之比r ( r ) 和温度r 的关系可由下式表示： 一器= 鲥e x p ( 一等) 3 式中( 丁) 、乞( r ) 分别为s t o k e s 光和a n t i - s t o k e s 光的强度，丸、以分别是 a n t i s t o k e s 光和s t o k e s 光的波长，j z 为普朗克常数，c 为真空光速，v 为拉曼散射 频移，k 为波尔兹曼常数，丁为绝对温度。 基于拉曼散射与温度的关系，结合光时域反射技术就构成了分布式温度传感 器，图1 - 2 是该类传感器的基本结构框图。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所带来的影响。该技术的缺点是拉曼后向 散射系数太小，大约比瑞利散射低三个数量级，为了避免信号处理过程中信号平 均时间过长，脉冲激光源的峰值功率需要相当高。 传感光纤 图1 2 基于自发拉曼散射的分布式光纤温度传感器原理框图 4 第一章绪论 除了如图1 2 所示的基于自发拉曼散射的分布传感原理外，f a r r i e s 和 r o g e r s i 心】等人还提出了基于受激拉曼散射的分布式光纤传感技术，利用处于传感 光纤两端的n d ：y a g 激光器和h e - n e 激光器分别发出波长为6 1 7 n m 的脉冲光和 波长为6 3 3 n m 的连续波，由于两束光的频差处于拉曼放大的增益谱内，连续光 受脉冲光的作用就以拉曼增益放大。由于拉曼增益对脉冲光和连续光的偏振态极 其敏感，而两束光的偏振态又对光纤上的横向应力敏感，因此利用连续光的强度 和光在光纤中的传播时间就可获得横向应力在光纤上的分布，从而实现分布传 感。 1 2 2 3 基于布里渊散射的分布式光纤传感技术 布里渊散射是光波与声波在光纤中传播时相互作用而产生的光散射过程，散 射光的频率相对于泵浦光有一个频移，该频移通常称为布里渊频移，布里渊频移 大小与光纤材料声子的特性有直接关系。当与散射光频率相关的光纤材料特性受 温度和应变的影响时，布里渊频移大小将发生变化，因此通过测定脉冲光的背向 布里渊散射光的频移就可实现温度、应变测量，这样就产生了基于布里渊散射的 分布式光纤传感技术。目前基于布里渊散射的分布传感研究主要集中在三个方 面：基于布里渊光时域反射( b o t d r ) 技术的分布式光纤传感技术、基于布里 渊光时域分析( b o t d a ) 技术的分布式光纤传感技术和基于布里渊光频域分析 ( b o f d a ) 技术的分布式光纤传感技术。 ( 1 ) 基于b o t d r 技术的分布式光纤传感技术 光时域反射( 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 y ，o t d r ) 技术是指向光纤 中注入一个光脉冲，通过反射信号和入射脉冲之间的时间差来确定空间位置，基 于b o t d r 的分布式光纤传感技术就是在o t d r 的基础上发展起来的。当脉冲光在 光纤中传输时，在脉冲光发送端可以检测到带有光纤沿线温度应变信息的布里 渊背向散射光，背向散射光与脉冲光之间的时间延迟提供光纤位置信息，散射光 的强度提供光纤衰减信息，因此通过检测布里渊散射光就可以得到温度和应变信 息。由于自发布里渊散射信号相当微弱，比瑞利散射约小两三个数量级，检测 比较困难，因此基于b o t d r 的分布式光纤传感技术的研究主要集中在自发布里 渊信号的检测上，检测方法主要包括直接强度检测和相干检测。 直接强度检测需要将微弱的布里渊散射光从瑞利散射光中分离出来，传统方 法是采用法布里珀罗干涉仪( f p ) 或反射型马赫曾德干涉仪( m z ) 对散射光进行 滤波，取出有用的自发布里渊散射光，从中得到温度、应变的信息，但由于干涉仪 工作不稳定、插入损耗较大，且自发布里渊散射信号相当微弱，测得的布里渊频 移往往不够准确。1 9 9 3 年k u r a s h i m a i l 3 】等人首先利用相干检测的方法实现了基于 第一章绪论 自发布里渊散射信号的温度应变分布式测量，该方案采用两台激光器分别产生 脉冲光和泵浦光，将二者的频差调到布里渊频移附近，这样可用窄带相干接收机 接收布里渊散射信号。实验测量使用的光纤长度为1 1 5 7 k i n ，得到空间分辩率为 1 0 0 m ，温度应变分辨率可达至t j + 3 c 士6 x1 0 - 5 。这种方法实现起来比较简单，但 是对光源稳定性要求很高。1 9 9 4 年k a o r us h i m i z u 1 4 , 1 5 】等人在光路中引入了一个光 移频环路实现了一个高精度的相干自外差b o t d r 检测系统，得到空间分辨率 1 0 0 m ，温度应变探测精度2 o 0 1 ，动态范围1 6 1 2 d b 。 日本的a n d o 公司和n t t 公司都已基于此技术开发出相应的产品投入市场， a n d o 公司所生产的光纤应变损耗分析仪a q 8 6 0 3 应用这一技术可以检测最长 8 0 k m 光纤沿线的应变，应变测量范围为( 1 5 + 1 5 ) ，空间分辨率可达lm ， 应变分辨率达士0 0 0 3 ，但目前它们的市场价格都还比较昂贵。 近年来，随着高灵敏度高带宽的光电探测器的出现，日本的n t t 和a n d o 公 司又在原有的b o t d r 技术基础上采用微波相干外差技术和一个可调谐的电子振 荡器联合开发出了一种新的b o t d r 技术，由于不使用移频器，系统频率稳定度 得到了提高，应变分辨率可以达到lo 峨，系统测量时间也大大减小。 相干自外差b o t d r 分布式传感系统的优势在于：1 ) 实现单端测量，应用方 便；2 ) 单个激光器实现自外差工作，容易精确控制脉冲光与连续光之间的频差； 3 ) 若参考光足够强，可获得最小可探测光功率，提高探测精度；4 ) 外差接收机 加窄带滤波器可提高频率分辨率j ( 2 ) 基于b o t d a 技术的分布式光纤传感技术 当两束泵浦光在光纤中反向传输，二者的频差等于布里渊频移时，弱的泵浦 信号将被强的泵浦信号放大，称该现象为布里渊受激放大。基于这一放大作用， t h o r i g u c h i1 1 6 1 等人首先提出了b o t d a 分布式光纤传感技术，基于该技术的传感 系统框图如1 3 所示。 图1 3b o t d a 传感系统框图 6 第一章绪论 b o t d a 系统中，处于光纤两端的可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，当泵浦光和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，两束光之间发生能量 转移。在b o t d a 中，当泵浦光的频率高于探测光的频率时，泵浦光的能量向探 测光转移，这种传感方式称为布里渊增益型；当泵浦光的频率低于探测光的频率 时，探测光的能量向泵浦光转移，这种传感方式成为布里渊损耗型。在光纤温度 或应变分布均匀的情况下，布里渊增益型传感方式中的泵浦脉冲光随着在光纤中 的传播其能量会不断的向探测光转移，如果传感距离较长，会出现泵浦耗尽的情 况，因此该传感方式难以实现长距离传感。而对于布里渊损耗型传感方式，能量 的转移使泵浦光的能量升高，不会出现泵浦耗尽的情况，从而使得传感距离大大 增加。 当光纤某点的温度或应变发生变化时，该点的布里渊频移随之发生变化，引 起b o t d a 信号衰减。通过调谐两端的激光器使频差等于新的布里渊频移，便能 重新捕捉到该点的布里渊散射信号。由于布里渊频移与温度、应变存在线性关系， 所以在对两激光器进行连续调节的同时，检测从光纤一端耦合出来的连续光的功 率，就能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，从而获得 温度应变信息，实现分布式测量。 b o t d a 系统的显著特点是动态范围大，测量精度高。但系统较复杂，需要 使用两台激光器在被测光纤两端同时进行测量，实际应用时有一定的困难，不容 易做到对两端的同时控制。除此，该技术还不能设置断点来进行测量，应用条件 也受到了限制。 ( 3 ) 基于b o f d a 技术的分布式光纤传感技术 b o f d a 传感技术是1 9 9 7 年由德国d g a r u s 1 7 j 等人提出的一种新型分布式光 纤传感技术，系统框图如1 4 所示。 第一章绪论 泵浦 激光嚣 如( o ) f冬( d z ：( ：传感光拜z ：三 。( 工) o 检测器 fl 检测器 信号处理l网络分析仪 电光 调制蕃 图l - 4基于b o f d a 分布式光纤传感系统框图 探测 激光嚣 b o f d a 同样是利用布里渊频移特性来实现温度应变的测量，但对被测量的 空间定位不再依据传统的o t d r 技术，而是通过获得光纤的复合基带传输函数来 实现的。传感光纤两端所注入的光为频率不同的连续光，其中探测光和泵浦光的 频差约等于光纤中的布里渊频移量后一厶= 店。探测光首先经过调制频率厶可变 的电光调制器进行幅度调制，调制强度作为注入光纤的探测光和泉浦光在光纤中 相互作用的边界条件。调节l ，在耦合器的两个输出端同时检测注入光纤的探 测光功率和泵浦光功率，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。利用快速傅里叶逆变换由基带传输函数变换得到系统的实时冲激 响应，反映了光纤沿线的温度应变等的分布信息，从而实现分布传感。 1 2 3 分布式光纤传感技术的应用与发展 分布式光纤传感器以其独有的优势，正越来越受到人们的关注。它不仅具有 普通光纤传感器的全部优点，而且充分利用了光纤一维空间连续分布的特点，可 以准确的测量出光纤沿线上被测量场在时间和空间上的分布信息，能做到对大型 基础工程设施的每一个部位像人的神经系统一样进行感知和远程监测，具有广阔 的应用前景。由于分布式光纤传感技术能够实现大范围测量场中分布信息的提 取，解决了目前测量领域的众多难题，如：分布式温度传感器可用于大、中型变 压器、发电机组和油井的温度分布测量，大型仓库、油库、高层建筑、矿井和隧 道的火灾防护及报警系统等领域；分布式应力传感器可用于桥梁、堤坝等设施的 8 z 一莹口 ， 一 尚 第一章绪论 安全检测，航空、航天飞行器等大型设备老化程度的检测，输油气管线盗油、漏 油的检测等领域。但是它也有自身的缺点，比如其测量精度与空间分辨率存在制 约关系，检测信号一般比较微弱，并且需要对大量信号进行繁琐的运算处理等， 因此为了实现快速、稳定、可靠及高精度的测量，仍需要进行多方面的研究。今 后的研究重点也将主要放在以下几个方面： 1 ) 实现单根光纤上多个物理参数( 温度和应变) 或化学参数的同时测量； 2 )提高信号接收和处理系统的检测能力： 3 )提高系统的空间分辨力和测量精度； 4 )提高测量系统的测量范围，减少测量时间； 5 )新的传感机理的研究 1 3 本论文的研究背景和主要工作 管道运输系统是一种安全、经济的运输方法，广泛应用于石油、天然气等工 业部门中，然而近年来输油管道被打孔盗油案件时有发生，造成了巨大的经济损 失和环境污染，这使得油气管线自动监测技术变得日益重要。由于管道受到破坏 ( 挖土阶段) 时会使跟随管线铺设的光纤感受到应力的改变，从而导致光传输时 的某些参数发生改变，通过对光的这些参数的观测和分析来进行外界干扰的辨别 和定位，进行早期预警，减少打孔盗油案件的发生。 本文基于自发布里渊散射进行分布式传感研究，虽然布里渊散射的分布传感 技术的研究起步比较晚，但是它在温度和应变测量上达到的测量精度、测量范围 以及空间分辨率均高于其他传感技术，以b o t d r 技术为基础提出系统整体设计 方案。下面对本文的主要工作做简要介绍： 第一章简要概述了光纤传感技术的发展及分类，指出了分布式光纤传感器的 优势和特点，详细介绍了基于不同的非线性散射的分布式光纤传感技术以及当前 的应用和发展，最后提出本课题的研究目的和意义。 第二章系统设计的理论基础，主要是在介绍了光纤中的自发和受激布里渊散 射机理的基础上对布里渊散射的频移和强度与光纤的应变和温变之间的关系作 了详细的计算和分析，提出了同时测量温度和应变的方法。 第三章提出系统整体设计方案，先后对系统整体设计、光发射子系统和光相 干接收子系统做了详细介绍，最后对系统中主要性能参数做了分析和计算仿真。 第四章实验，开始通过对系统脉冲源的分析，完成了脉冲的产生、整形和放 大工作，然后进行了部分系统实验，完成对布里渊频移和受激布里渊散射阈值的 9 第一章绪论 测量。 第五章总结全文，概述了本文完成的主要工作和下一步的工作方向。 1 0 第二章基于布里渊散射的分布传感机理 第二章基于布里渊散射的分布传感机理 2 1 光纤中的布里渊散射 光纤中的布里渊散射效应是入射光波场与光纤中的弹性声波场间相互耦合 作用而产生的一种非线性光散射现象，其主要特点是散射光的频率相对入射光频 率发生变化，频移量的大小与散射方向以及光纤内的声波特性有关。根据入射光 强度的不同，光纤中会产生自发布里渊散射或受激布里渊散射。首先简要介绍一 下光纤中的光散射现象。 2 1 1 光纤中的光散射 当光波在介质中传播时，大部分是前向传播的，有- - d , 部分能量偏离预定的 传播方向而向空间其他任意方向弥散开来，形成了光散射现象【1 8 , 1 9 】。对光纤而 言，其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。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、频率特征与泵浦光也不同。 图2 1光纤中的光散射示意图 从量子理论的观点来看，光散射是光子与传输介质中的粒子发生弹性或非弹 性碰撞引起的。研究发现，光纤中的光散射主要包括由光纤中折射率分布不均引 起的瑞利散射( r a y l e i g hs c a t t e r i n g ) ，由光学声子引起的拉曼散射( r a m a n s c a t t e r i n g ) 和由声学声子引起的布里渊散射( b r i l l o u i ns c a t t e r i n g ) 三种类型的光 第二章基于布里渊散射的分布传感机理 散射。其中，瑞利散射是由于光与物质发生的弹性散射，散射光频率不发生变化， 是强度最高的散射光成分，而拉曼散射和布里渊散射是光与物质发生的非弹性散 射，其散射光频率发生变化，它们的频谱分布! 1 1 2 2 所示【2 0 】。 图2 2 三种散射光的频谱分布图 从图2 - 2 , 可v a 看出，激发线v 0 两侧的频谱是成对出现的，在低频一侧频率 为v o - a v 的散射光为斯托克斯光( s t o k e s ) ，在高频一侧频率为+ a 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散射和布里渊散射谱中。下 面对布里渊散射的基本理论加以论述。 2 1 2 自发布里渊散射 力学上的经典理论认为：任何介质在常温状态下，均存在由其组成粒子原子、 分子或离子因自发热运动作连续弹性力学振动，这种弹性振动将引起介质密度随 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。当泵浦光入 射到光纤中，由于自发声波场的作用使光纤中产生一个与声波传播速度相同的运 动的折射率光栅，该折射率光栅对泵浦光作用产生自发布里渊散射光，过程示意 图如图2 3 所示，下面作一下简要的分析。 1 2 第二章基于布里渊敞射的分布传感机理 声波 m 2 - 3 自发布里潍散射的产生过程示意图 当一束光射入介质时，设八射光频率为m ，波矢为i ；为位移矢量，光场 可写作： t ( r ，f ) = 臣( r ) e x p i ( kr 一酬) 1 + c 卫 ( 2 1 一i ) 声被场频率为n ，波矢为；声波场振幅为p 则声波场可写为 “) = “r ) e x p i 打r 一船) 4 - “ ( 2 - 1 - 2 则散射光波可以由非线性介质中的波动方程求解得出，推到如f 根据声波运动方程： ! 辈一f v 。! 兰v ：廿：o ( 2 1 - 3 卉。西 其中矿为声速，芦( r ，f ) 为由热运动激发的舟质作用区的压力扰动，满足 a a ，f ) = a p e 岍删+ c 。 ( 2 一l _ 4 第二章基于布里渊散射的分布传感机理 该压力扰动将引起介质的密度分布变化，导致了布里渊散射的产生，造成介 质密度；和介质介电常量孑的变化： 根据介质中的线性波动方程： 万= 嚣舻u f ：罢孑 o p ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) v 2 云一眠筝= 等( 2 - 1 - 7 ) 当不考虑非线性效应时，极化强度为： 魂沪考( 嚣) s 魂喱e 归以g 瓯喱( - ，r ) ( 2 - 1 - 8 ) 其中以= p 荔为电致伸缩系数，g = 吉嚣为等熵压缩系数ao ooo r 在发生布里渊散射的相互作用区，由热扰动所产生的压力变化满足： a p ( r ，t ) = a p ( r ) e x p i ( q ，一q f ) 】+ 凹 ( 2 - 1 - 9 ) 将式( 2 1 8 ) 、( 2 1 9 ) 代入到( 2 1 7 ) 中，得到布里渊散射场满足的受激波动 方程： v 2 否一鲰筝= 等= 职g 一最p e x p f 【( 乏一秒；一( 国一跳】) ( 2 - 1 1 。) + 丘g ( 功+ q ) 2 e l a p e x p z i ( k + q ) ；一( 国+ q v 】l + c c 自发布里渊散射正是由上式所描述的散射场产生的，前面已经提到，布里渊 1 4 第_ 二章基于布里渊散射的分布传感机理 散射谱在激发线的两侧成对的出现斯托克斯和反斯托克斯两条谱线，同样，在式 ( 2 1 1 0 ) 所描述的波动方程中，存在着两个和缈对称的项，它们正好就对应了 散射谱的两条布里渊散射谱线。方程中的第一个分量导致了布里渊散射的斯托克 斯散射光的产生，而第二个分量则导致了布里渊散射的反斯托克斯光的产生。 下面根据式( 2 1 1 0 ) 分别从斯托克斯散射和反斯托克斯散射两个方面对布 里渊散射的频移特性进行详细的分析。 由式( 2 1 1 0 ) 可知： 斯托克斯波： 反斯托克斯波： 其中入射光波和声波分别满足： k = 石一i = 缈一q k 。= k 一+ q 一 缈= 缈+ q 缈= m c 刀) q = 卧圪 ( 2 1 1 1 ) ( 2 1 1 2 ) ( 2 1 1 3 ) ( 2 1 1 4 ) ( 2 1 1 5 ) ( 2 1 1 6 ) 其中c 为真空中的光速，n 为介质折射率，圪为声速。 由于声频q 比光频缈要小的多，对于斯托克斯波，可以近似的认为h = i 矿l ， 在散射角为臼时，根据矢量三角形可得： 阱2 降i n ( e 2 ) q = 阱= 2 m i n ( e z ) 嘲缈等s i n ( e 2 ) ( 2 1 1 7 ) ( 2 1 1 8 ) 第二章基于布里渊散射的分布传感机理 根据能量守恒原理，可以得到这样一个结论：声波频率q 的大小表征了布里 渊散射光相对于入射光的频移大小。由式( 2 1 18 ) 可得，当斯托克斯散射发生 在前向时( 口= 0 ) ，得到的布里渊频移为q = 0 ，也就是说，在前向无斯托克斯 光产生；当散射发生在背向时( 0 = 1 8 0 ) ，布里渊频移最大，即 q ，一：2 胛丘国 c ( 2 1 1 9 ) 对于普通的单模光纤，光纤折射率n = 1 4 6 ，声速v 。= 5 9 4 5 m s ，当泵浦光的波长 2 = 1 5 5 0 n m ，我们可以得到q ，一2 7 r = 1 1 2 g h z 。 和斯托克斯散射类似，对反斯托克斯散射进行分析可得到反斯托克斯散射光 的最大布里渊频移为： q 。一：2 行丘国 c ( 2 1 2 0 ) 需要注意的是，以上的分析都是在完全忽略声波衰减的情况下得出来的。在 考虑声波衰减的情况下，任一方向( 散射角0 = 0 除外) 的散射光的频谱并不是 单一谱线。它们都具有一定的频宽，其频谱宽度( f w h m ) 为： a 0 9 = l r p = f q 2 其中r 为声波阻尼参数，将式( 2 1 1 7 ) 代入，可得 ( 2 1 2 1 ) 国= 4 r 石1 2s i n 2 ( 护2 ) = 4 n 2 f 垡c 。s i n 2 ( 目2 ) ( 2 1 2 2 ) 对普通硅玻璃光纤，背向布里渊散射的谱宽约为( 1 0 1 0 0 ) m h z 大小。 假设光纤的声波按e x p ( 一r ) 衰减，则布里渊散射谱为如图2 - 4 所示的洛仑兹 ( l o r e n t z i a n ) 曲线形态，满足的关系式如下： 1 6 第二章基于布里渊散射的分布传感机理 孙( v ) = 石而( a v b 五2 ) 巧2 可岛( 2 - 1 - 2 3 ) 上式说明布里渊增益峰值甄、增益谱谱宽和布里渊频移等是描述布里渊散 射谱的主要参数。蛾是布里渊增益频谱的最大半宽( f w h m ) ，由式( 2 - 1 - 2 2 ) 可知咄与声波的阻尼时间或声子寿命有关。 增 益 值 鲁 x1 0 1 1 jl g o ， ，。 ， i j i 、 r 、 布里渊频移g h z 图2 - 4布里渊散射增益谱 如图中所示，g 。是布里渊频移处的峰值，满足： g 。= g 口c ，= ：戛手貉( 2 - 1 - 2 4 ) 式中n 为光纤纤芯折射率，p ，：为纵向弹光系数，p o 为介质的密度，为声速，f 占 为声波阻尼参数。如果波长乃选取1 5 5 0 n m ，把熔石英的典型参量代入式 第二章基于布里渊散射的分布传感机理 ( 2 1 - 2 2 ) ，得到的布里渊增益峰值甄= 5 1 0 - 1 1 m w ，比相同条件下的拉曼增益 峰值大几乎三个数量级。 以上是在连续或准连续泵浦光( 泵浦光线宽v 。远小于布里渊散射谱宽毗) 下的情况，实际布里渊增益曲线会受到泵浦光线宽v 。的影响。入射泵浦光的线 宽越窄，泵浦效率越高。当泵浦光的谱宽缸。接近或超过了时，布里渊增益 将明显减小。泵浦光谱宽v 。与布里渊散射峰值增益关系为： 铲彘讹) ( 2 - 1 - 2 5 ) 由式2 - 1 - 4 可以看出，当v p 比大很多，布里渊增益峰值近似下降到原来的 a v 占a v p 。 2 1 3 受激布里渊散射 自发布里渊散射是由介质内自发弱声波场引起的，与此不同，光纤中的受激 布里渊散射( s b s ) 是强感应声波场对入射光作用的结果，图2 5 所示为受激布里 渊散射过程示意图。 1 8 第二章基于布里渊散射的分布传感机理 ( a ) s t o k e s 敞射光 ( b ) 舭搬【舭舻 q 璺9 7 、 圈2 - 5 受澈布里渊散射过程示意幽 泵浦光 s l o k e s 光峙 采油光的 相互怍h | 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( 受撒布 里渊散射) 。也就是说当泵浦光在光纤中传播时，其自发布里渊散射光沿泵浦光 相反的方向传播，当泵浦光的强度增大时，自发布里渊散射的强度增加，当增大 到一定程度时，反向传输的斯托克斯光和泵浦光相互作用，光纤局部折射率大大 增加。这样由于电致伸缩效应就会产生一个声波声波的产生将激发出更多的 布里渊散射光，同时，激发出来的散射光又加强声渡，如此相互作用，产生很强 的散射，这就是受檄布里渊散射( s b s ) 。 相对于光波来说声波的能量微小到可忽略因此在不考虑声波的情况下， s b $ 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在泵浦光存在的情况下在电致伸缩材料中传播 的斯托克新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 孑 幡 第二章基于布甲- 渊散射的分布传感机理 托克斯光和斯托克斯光都存在，但一般情况下只表现为斯托克斯光。由于本文主 要讨论的是自发布里渊散射，因此，这里对受激布里渊散射不再多