（通信与信息系统专业论文）外差检测布里渊分布型光纤温度和应变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 摘要 本文综述了布里渊分布型光纤传感技术的研究现状，从理论上研究了布里渊频移 和强度与光纤温度和应变的依赖关系。设计了一套外差检测式光纤温度和应变同时 传感系统，以电光调制器性能测试为依据，优化了系统参数，实现了采用声光调制 的背向散射时域波形的测量。针对布里渊信号的特点，在l a b v i e w 7 1 开发环境中，利 用同步叠加平均消噪方法实现了对微弱高频信号的有效提取。利用m o r l e t 小波变换实 现了对仿真布里渊信号包络的提取，并用m a t l a b 进行数值模拟，给出了仿真结果。基 于l e v e n b e r g m a r q u a r d t ( l m ) 算法，完成了布里渊信号模型未知参数的估计，证明了 l m 算法可以实现布里渊散射谱的精确拟合。 关键词：布里渊散射，光纤传感，同步叠加平均，m o r l e t 小波变换，l m 算法 a b s t r a c t t h er e s e a r c hc o n d i t i o no fb r i l l o u i nd i s t r i b u t e do p t i c a lf i b e rs e n s i n gt e c h n o l o g yi s i m r o d u c e di nt h i st h e s i s t h ed 印e n d e n c e so fb r i l l o u i ns h i r 趾di m e n s i t ) ro nt e m p e r a t l l r e a i l ds t r a i na r ei n v e s t i g a t e dt h e o r e t i c a l l y ab r i l l o u 主nd i s t r i b u t e ds e n s i n gs y s t e mf 0 r s i m u l t a n e o u st e m p e r a _ t u r ea n ds t r a i nm e a s u r e m e n t 、v i t hh e t e r o d y n ed e t e c t i o ni sp r o p o s e d b a s e do nt h ep e r f 0 珊a i l c em e a s u r e m e mo fe l e c t r o - o p t i cm o d u l a t o r ， 也e 、o r k i n g p a 舢e t e r so ft h es y s t e ma r eo p t i m i z e d t h ew a v e f o mo fb a c l 【s c 绷b e l 谢l i g h ti nt i i m d o m a 证i sm e 弱u r e du s i i l ga c o u s 协o p t i cl n o d u l a t i o n a c c o r d i i l gt 0t l l ec h 黜l c l 耐s t i c so f b 栅。血s i 弘a l l 觚db 嬲e do nl a m e w 7 1 ，w e a l ( s i 酬、 ，i ml l i 咖舶q u e n c yi s 删吣吨 s ) ，l l c l 啪n o u sa v e r a g i l l ga l g o r i t l l i n n es i n m l a t i o ni sc o n d u c t e du s i n gt h em o d e tw a v e l e t 砌n s f o mt 0d e t e c tm ee n v e l o p eo fs i r 砌a t e db r i l l o l l i ns i g n a l u n h o w np a r a m e t e 璐i n b r i l l o u i l ls c a t t e r i n gm o d e la r ce s t i l 瑚l t e du s i i 唱l o r 即忆句痂唱b 弱e do nl e v 锄b e 唱m 鲫q u 脚d t ( l m ) 址9 0 r i n l l l l ，w l l i c hi sv 舐丘e d 廿1 el ma l g o d t h mt 0b e 肿c t i c m 蠡玎p 坞c i 6 城n go f b r i l l o u i i ls p e c 饥l m z h 粕gs h u 0 ( c o m m 嘶c a t i o n 锄di n f o m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db yp r o l iy 0 n g q i 锄 k e yw o r d s ： b r i l l o u i ns c a t t i n g ，o p t i c a l1 f i b e rs e n s i n g ，s y n c h r o o u sa v e r a g i n g a l g o r i t h m ，m o r l e tw a v e l e lt r a n s f o r m ，l ma l g o r i t h m 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文综述了布里渊分布型光纤传感技术的研究现状，从理论上研究了布里渊频移 和强度与光纤温度和应变的依赖关系。设计了一套外差检测式光纤温度和应变同时 传感系统，以电光调制器性能测试为依据，优化了系统参数，实现了采用声光调制 的背向散射时域波形的测量。针对布里渊信号的特点，在l a b v i e w 7 1 开发环境中，利 用同步叠加平均消噪方法实现了对微弱高频信号的有效提取。利用m o r l e t 小波变换实 现了对仿真布里渊信号包络的提取，并用m a t l a b 进行数值模拟，给出了仿真结果。基 于l e v e n b e r g m a r q u a r d t ( l m ) 算法，完成了布里渊信号模型未知参数的估计，证明了 l m 算法可以实现布里渊散射谱的精确拟合。 关键词：布里渊散射，光纤传感，同步叠加平均，m o r l e t 小波变换，l m 算法 a b s t r a c t t h er e s e a r c hc o n d i t i o no fb r i l l o u i nd i s t r i b u t e do p t i c a lf i b e rs e n s i n gt e c h n o l o g yi s i m r o d u c e di nt h i st h e s i s t h ed 印e n d e n c e so fb r i l l o u i ns h i r 趾di m e n s i t ) ro nt e m p e r a t l l r e a i l ds t r a i na r ei n v e s t i g a t e dt h e o r e t i c a l l y ab r i l l o u 主nd i s t r i b u t e ds e n s i n gs y s t e mf 0 r s i m u l t a n e o u st e m p e r a _ t u r ea n ds t r a i nm e a s u r e m e n t 、v i t hh e t e r o d y n ed e t e c t i o ni sp r o p o s e d b a s e do nt h ep e r f 0 珊a i l c em e a s u r e m e mo fe l e c t r o - o p t i cm o d u l a t o r ， 也e 、o r k i n g p a 舢e t e r so ft h es y s t e ma r eo p t i m i z e d t h ew a v e f o mo fb a c l 【s c 绷b e l 谢l i g h ti nt i i m d o m a 证i sm e 弱u r e du s i i l ga c o u s 协o p t i cl n o d u l a t i o n a c c o r d i i l gt 0t l l ec h 黜l c l 耐s t i c so f b 栅。血s i 弘a l l 觚db 嬲e do nl a m e w 7 1 ，w e a l ( s i 酬、 ，i ml l i 咖舶q u e n c yi s 删吣吨 s ) ，l l c l 啪n o u sa v e r a g i l l ga l g o r i t l l i n n es i n m l a t i o ni sc o n d u c t e du s i n gt h em o d e tw a v e l e t 砌n s f o mt 0d e t e c tm ee n v e l o p eo fs i r 砌a t e db r i l l o l l i ns i g n a l u n h o w np a r a m e t e 璐i n b r i l l o u i l ls c a t t e r i n gm o d e la r ce s t i l 瑚l t e du s i i 唱l o r 即忆句痂唱b 弱e do nl e v 锄b e 唱m 鲫q u 脚d t ( l m ) 址9 0 r i n l l l l ，w l l i c hi sv 舐丘e d 廿1 el ma l g o d t h mt 0b e 肿c t i c m 蠡玎p 坞c i 6 城n go f b r i l l o u i i ls p e c 饥l m z h 粕gs h u 0 ( c o m m 嘶c a t i o n 锄di n f o m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db yp r o l iy 0 n g q i 锄 k e yw o r d s ： b r i l l o u i ns c a t t i n g ，o p t i c a l1 f i b e rs e n s i n g ，s y n c h r o o u sa v e r a g i n g a l g o r i t h m ，m o r l e tw a v e l e lt r a n s f o r m ，l ma l g o r i t h m 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文外差检测布里渊分布型光纤温度 和应变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：塑乏数 日 期：磕泽拗 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：毳址 日 期：蛔( o 导师签名： 日期： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 目前，国内外关于光纤传感器的研究主要集中在单点式光纤传感器、准分布式 光纤传感器和分布式光纤传感器三个方面。分布式光纤传感技术具备提取大范围测 量场的分布信息的能力，能够解决测量领域的众多难题，因此，具有巨大的应用潜 力，是目前国内外研究的热点。分布式光纤传感器自2 0 世纪7 0 年代问世以来【l 】， 得到了广泛的关注，该领域的研究主要集中在以下三个方面【2 】：基于后向瑞利散射 的分布式光纤传感技术；基于拉曼散射的分布式光纤传感技术；基于布里渊散射的 分布式光纤传感技术。基于后向瑞利散射的分布式光纤传感技术常用来检测光纤的 断点及衰减特性，基于拉曼散射的分布式光纤传感技术主要用于温度测量，基于布 里渊散射的分布式光纤传感技术的独特之处在于能实现温度和应变同时测量，且测 量精度和空间分辨率较高。这就使得这种技术在桥梁、大坝、石油管道等大型工程 结构、大型建筑物等的健康诊断以及隧道火灾报警等领域具有广阔的应用前景。因 此，布里渊分布式光纤传感技术目前得到了广泛地关注与研究。 尽管基于布里渊散射的分布式光纤传感技术发展非常迅速，但由于一些关键技 术没能得到很好地解决，使得该类产品的成本非常高，难以在市场上得到普及。如 果能实现理论和技术上的突破，必将使布里渊分布式传感器性能大大提高，促进它 的普及和实用化。这对于很多关系国民经济发展的大型工程，如电力网、通信光缆、 桥梁、大坝、石油管道、大型锅炉蒸气管道等的温度或形变的监测将产生深远影响。 1 2 国内外研究现状分析 基于布里渊散射的分布式光纤传感系统从整体上分主要有三种方案：基于布里 渊光频域分析( b o f d a ) 的光纤传感技术、基于布里渊光时域分析( b o t d a ) 的光纤 传感技术和基于布里渊光时域反射计( b o t d r ) 的光纤传感技术。 b o f d a 提出后，d i e t e rg a r u s 等人做了许多相关的实验，获得了空间分辨率3m 和温度分辨率5 的实验结果【3 j 。最近r b e r n i n i 、a m i n a r d o 等人又实现了1m 以下的空间分辨率【4 1 。由于其所需测量时间较长，信号处理过程复杂，且对被测光 纤所处环境要求高，所以目前对b o f d a 的研究较少。加拿大籍华人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 1k m 、温度分辨率1 和空间分辨率 5m 的测量【5 1 。2 0 0 4 年x b a o 等人用保偏光纤实现了空间分辨率1 0 3 0 胆、温度分 辨率卜2 和1 5c m 缝隙的测量【们。布里渊频移不仅和温度有关，而且和应变有 关，x b a o 【7 】和s h i m i z u 【8 】等人都分别做了很多温度与应变同时测量的工作。由于 1 华北电力大学硕士学位论文 b o t d a 传感方式的信噪比高，很多国家对它的研究投入相对多一些。目前已经有报 导日本的n e u b r e x 公司与x b a o 等人合作研制出了基于b o t d a 原理的光纤传感器， 实现了传感距离2 0k m 以上、温度分辨率l 、应变分辨率2 5 胆和空间分辨率1m 的性能指标，并且实现了最小分辨率小于1 0c m 的测量。与b o f d a 及b o t d a 相比， b o t d r 最大的优点就是单端测量、装置简单、实际工程应用方便。 自发布里渊散射光极其微弱，相对于瑞利散射来说要低大约两、三个数量级， 检测起来较为困难。通常采用的检测方法有直接检测o 】和相干检测【1 1 ，1 2 ，1 3 】两种。 直接检测是利用f a b o r y p e r o t ( f p ) 干涉仪、m a c h z e h n d e r ( m z ) 干涉仪将微弱的布 里渊散射光从后向散射光中分离出来。t p n e w s o n 等人分别用f p 干涉仪【1 4 】和 m z 干涉仪【1 5 】等方法实现了直接检测布里渊信号的实验研究，并且通过布里渊频移 和强度的同时测量，实现了对温度和应变的同时测量。相干检测的方法相对于直接 检测而言，其系统构成复杂，但信噪比高且不受光源频率漂移的影响，因此对相干 检测的研究较多。日本的k u r a s h i m a 【1 6 】、s h i m iz u 【1 7 】等人先后分别用外差和自外差 的相干检测方法实现了自发布里渊散射信号的测量，实现了温度分辨率3 、应变 分辨率6 0 肛和空间分辨率1 0 0m 的性能指标。t p n e w s o n 等人采用相干检测方 法实现了传感距离1 0 0k m 、温度分辨率0 8 和空间分辨率5 0m 【1 8 】的测量，然后 又使用在线拉曼放大的相干检测方法实现了传感距离1 5 0k m 、温度分辨率5 2 和空间分辨率5 0m 【1 9 】的测量。目前主要有三种相干检测技术，即声光移频的b o t d r 、 电光移频的b o t d r 及微波外差检测的b o t d r 。 1 2 1 声光移频b o t d r 1 9 9 4 年，k a o r us h i m i z u 等人首次通过在光路中引入一个光移频环路实现了一 个b o t d r 相干检测系统【1 。7 1 ，得到了空间分辨率1 0 0m 、温度分辨率2 和应变分辨 率1 0 0 胎的指标。声光移频的相干b o t d r 原理框图如图卜1 所示，激光器发出的连 续相干光被分束器分成参考光与探测光，探测光被声光调制器调制成脉冲光，并且 入射到由掺铒光纤放大器( e d f a ) 及声光移频器构成的光学移频环路。通过在光学移 频环路中循环一定的次数可以使得探测脉冲光频移的量u 。与布里渊频移量d 。大致 相同，然后探测脉冲光被e d f a 放大后入射到测试光纤，测试光纤中返回的后向布 早渊散射光直接被外差接收机检测。由于布里渊散射返回的后向布里渊散射光的频 率接近于参考光的频率，因此外差的差频u 。一u 。可以小于1 0 0 删z ，而这是传统外 差接收机的典型频带范围。调整移频环路中的声光移频器( a o ) 的频率可以调整探 测脉冲光的频率。连续改变探测脉冲光的频率可以测得布罩渊频谱，布里渊频谱的 峰值频率即为布里渊频移。 2 华北电力大学硕士学位论文 图1 1 采用声光频移环路的相干b o t d r 原理框图 由于a o 通常一次最大只能移频1 2 0m h z ，需经上百次的频移才可实现1 1g h z 的频率变化。为构建布里渊谱还需探测脉冲光可以扫频，这就要求a 0 输出的频率 精确可调，这些都对声光移频器的性能提出了更高的要求。并且，声光移频环路的 采用增加了系统中光学部分的复杂度，影响了系统的稳定性和测量精度。 1 2 2 电光移频b o t d r 图卜2 采用电光移频的相干b o t d r 原理框图 采用电光移频的相干b o t d r 原理框图【1 2 】如图卜2 所示。微波电光调制技术产生 频率可调的本地参考光和后向布里渊散射光进行光相干检测，采用普通的外差接收 机检测。这种系统和声光移频的b o t d r 系统不同的是，采用单只电光移频器取代了 声光移频环路，电光移频器一次就可以移频1 1g h z ，相对简化了光路，但是电光调 制器对光路的偏振控制特性提出了很高的要求。同样为获得布罩渊频谱，要求电光 移频器的频率精确可调。国内目前该方法尚处于实验室研究阶段【l2 1 ，浙江大学一直 在做这方面的工作并提出了可行的方案，采用微波电光调制的相干检测方法实现了 传感距离2 5k m 时的温度分辨率3 、应变分辨率1 0 0 胆和空间分辨率1 0m 1 2 u 】的 性能指标；传感距离3 4k m 时的应变分辨率2 0 0 胆和空间分辨率1 0m 【2 1 】的性能指 标。国外也有将电光移频技术用于布里渊频谱检测的报道，但尚未见有商业化仪器。 3 华北电力大学硕士学位论文 1 2 3 微波外差检测b o t d r 图卜3 采用微波外差检测的b o t d r 原理框图 采用微波外差检测的b o t d r 的原理框图如图卜3 所示。从光源发出的频率为d n 的光被分成探测光和参考光，其中参考光作为光学本振光。对探测光采用声光调制 器进行脉冲调制，然后采用e d f a 将该信号功率放大到合适值进入环形器。当光在 光纤中发生布里渊散射时，后向的布里渊散射光相对于原来的入射光产生一个布里 渊频移。该后向布里渊散射光和参考光由宽带光电二极管进行外差检测。此后，该 信号被进一步放大，并通过滤波来去除直流成分和高次谐波。此时，只有差频项d 膏， 将其和微波频率源产生的频率再次混频，得到基带信号。通过连续改变微波频率源 的频率，构建布里渊频谱，对频谱进行洛仑兹曲线拟合可得到d 。 在国外，英国s o u t h a m p t o n 大学 1 3 】最早提出微波外差检测方法，h h k e e 和 t p n e w s o n 等人采用测量瑞利信号与布里渊信号的功率之比l a n d a u p 1 a c z ( 。 r a t i o ( l p r ) 的方法已经使空间分辨率提高到了几十厘米的范围内，但所实现的洳 量精度比较差。在国内，采用这种微波外差检测方案检测布里渊后向散射光的方法 尚处于实验室研究阶段。 在目前的三种相干检测技术中，采用声光移频的b o t d r 方案对声光移频器的性 能提出了更高的要求，同时，声光移频环路的采用增加了系统光学部分的复杂度， 影响了系统的稳定性和测量精度；采用电光移频的b o t d r 方案的电光调制器对光路 的偏振控制特性提出了更高的要求，同样为获得布罩渊频谱，要求电光移频器的频 率精确可调；采用微波外差检测的b o t d r 方案实现温度和应变同时测量的精度较高， 系统相对简单，稳定性好。比较三种方案，采用微波外差检测的b o t d r 技术以其优 势成为国内外研究的热点。 1 2 4 分布式光纤传感系统的信号处理技术 分布式光纤传感系统的散射光信号很弱，信噪比很小，被测信号完全淹没在噪 声中，这就使得信号的测量和处理变得很困难，限制了系统的性能指标。所以，如 4 华北电力大学硕士学位论文 何对微弱信号进行有效的处理，成为分布式光纤传感系统的一个重要研究部分。特 别是在高精度分布式测量中，数据量巨大，数据处理技术也是影响系统实用性的关 键【2 2 1 。 信号处理最重要的是要对信号进行消噪，提高信噪比。为了有效地从噪声中提 取出有用信号，就要根据分布式光纤传感系统的特点，研究噪声的来源和性质，分 析噪声产生的原因和规律以及传播途径，采用相应的解决方案有效地抑制噪声。 从实际应用的角度来看，要求数据处理的速度要快。由于是分布式测量，几乎 是在用一时间测量大量的点( 一般超过几千个) ，测量系统处理的数据量很大，同 时实时监测对时间又有比较高的要求，这就需要在分布式光纤传感系统中提高数据 的处理能力。在具体实现上，早期数据采集由瞬态记录仪和微型计算机完成【2 3 】【2 钔， 但由于计算量大，对微型计算机的实时计算有很高的要求，不容易控制。现在基于 d s p 技术，采用高速数据采集卡或嵌入式系统，即采用上下位机结构，数据的采集 和处理在底层完成，数据显示、报警等在上位机完成。同时，对测量数据的处理也 出现了一些新方法，如小波分解【2 5 1 、去卷积f 2 6 1 、叠加平均等信号处理方法，提高了 数据处理能力。 1 3 本论文的主要研究内容 本选题来源于国家8 6 3 计划课题“光纤温度链及测量技术 ，光纤温度链系统 的主要技术指标为传感距离2 0 0m 、空间分辨率5m 、测温精度0 2 、测量时 间1 2 0s 。本选题作为课题的基础研究，以海水温度剖面在线监测为应用目标。，研 究基于微波外差检测b o t d r 的温度和应变同时测量系统中的信号处理技术。自发布 里渊散射信号相当微弱，而且系统的主要性能指标测量精度、测量时间、空间分辨 率和传感距离是相互制约的，因此，如何以高的信噪比检测布里渊信号及其携带的 温度和应变信息，在较短的测量时间内达到较高的测量精度、空间分辨率和较长的 传感距离，是本课题研究的核心理论和技术问题。由于光纤的非线性限制，系统信 噪比的提高不能单纯靠增加入纤脉冲功率来实现，必须采用优良的传感方案和微弱 信号检测和处理技术，这就需要在保证空间分辨率、测量精度和减小测量时间的前 提下，寻求更加有效的信号处理方法。 本文的主要研究内容包括： 1 通过分析b o t d r 的传感机理，研究光纤布里渊散射频移和强度的温度和应 变响应特性，建立温度和应变同时测量模型，从理论上解决温度和应变信息的获取 问题； 2 设计一种基于l p r 的微波外差检测b o t d r 传感方案，进行了实验研究工作， 搭建了实验系统，实现光时域反射信号的测量，为研制光纤布罩渊温度和应变分布 5 华北电力人学硕士学位论文 同时测量系统奠定实验基础； 3 设计信号处理方案，详细介绍了同步叠加平均消噪算法、m o r l e t 小波变换 和洛伦兹拟合原理； 4 完成信号处理实验部分。首先，对系统中采用的n 1 5 1 1 2 进行了采集性能测 试以验证采集卡在本系统中的适用性。其次，完成了在l a b v i e w 7 1 环境下实现利 用同步叠加平均消噪算法在短时间内进行叠加平均，有效地在强烈噪声干扰的情况 下提取微弱高频信号。接着，研究了基于m o r l e t 小波变换的信号包络提取算法， 完成对仿真布里渊散射信号提取包络，并利用m a t l a b 进行数值模拟，给出了相应的 仿真结果。最后，利用l m 算法对布里渊散射信号模型中的未知参数进行了估计， 证明了这种算法是一种有效的洛伦兹拟合方法。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章外差检测布里渊分布型光纤温度和应变传感系统 本章在认真研究布里渊频移和强度的温度和应变依赖关系的基础上，设计了外 差检测式光纤布里渊温度和应变分布同时测量系统，并对实验仪器进行了选择，搭 建了实验系统，做了部分基础实验。实验中测试了选购的e o m 性能，同时测量了光 时域反射波形。 2 1 传感原理 布里渊散射是光在不均匀介质中传播时发生的一种散射现象，它的频率和强度 相对入射光均发生变化，布里渊散射相对于入射光频率的变化量称为布里渊频移。 布里渊频移和强度与光纤材料中的声速有关，声速又会受到光纤材料的热光特性和 弹光特性的影响，而光纤中的热光效应和弹光效应与光纤材料的折射率、杨氏模量、 泊松比和密度有关，所以光纤中温度和应变的变化都会引起布里渊频移和强度的变 化。 2 1 1 布里渊频移的温度和应变特性 光纤中布里渊散射频移的大小由下式给出【2 7 】 吒= 2 刀矗 ( 2 1 ) 其中，吒为布里渊频移，刀为光纤纤芯折射率，凡为入射光在真空中的波长，匕 为光纤中的声波速度。光纤中的声速表示为 ( 2 2 ) 其中，e 为杨氏模量，“为泊松比，p 为密度。对于普通石英介质光纤，其散射 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，即散射角p = 万。 对于普通的石英光纤：以1 4 6 ，圪5 9 4 5m s ，当疋= 1 5 5 0n m 时，布罩渊频移1 1 2 g h z ； = 1 3 1 0n m 时，布里渊频移y r = 1 3g h z 。 由2 1 节分析可知，光纤的温度和应变变化都会引起布里渊频移的变化。温度 和应变分别通过热光效应和弹光效应使光纤折射率发生变化，而温度和应变对声速 的影响则是通过对杨氏模量e 、泊松比“和密度p 的调制来实现的。而密度随温度、 应变的变化发生变化是显而易见的。这样，光纤的折射率玎、e 、“和p 均可表示为 温度丁、应变占的函数，分别记为刀( 丁，占) 、e ( 丁，力、“占) 和以丁，力，这样由式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 得到 7 华北电力大学硕士学位论文 嘣即，寺柙斥磊蔫磊 倍3 ， 2 1 1 1 布里渊频移的温度特性 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的变化，从而引起布里渊频移的变化。 在建立布里渊频移与温度的对应关系时，只考虑温度的影响，因此先假设应变 s = o 。这样式( 2 3 ) 中的布里渊频移表达式变成如下只与温度有关的函数 以耻) 专咿而舞墨 q 训 在光纤的各个参数的情况下，就可以很方便地得到布里渊频移与温度的定量关 系。值得说明的是，要详细推导并得出所有这些参数的定量取值，需要对光纤微观 结构及原子间的相互作用势进行研究，这是一个较为复杂的物理问题，因此本文只 给出它们的典型取值，对取值的详细推导不再作进一步的讨论。在参考温度为常温 露2 0 时，单模石英光纤与温度相关的各个参数值如下 疗( 瓦，o ) = 1 4 6 唧= 2 1 2 1 0 5 。c 所= p ( 瓦，o ) x 1 6 5 xl 旷。c e ( 瓦，0 ) = 7 3 l o 旧 e r = 1 3 5 1 0 7 。c “( 瓦，0 ) = o 1 7 “，= 4 5 1 5 l o - ，o c ( 2 5 ) 将这些参数代入式( 2 4 ) ，我们可以得到温度变化与布里渊频移的定量关系 如下 v 占( r ，0 ) = v 占( 瓦，o ) ( 1 + 1 1 8 1 0 1 4 丁) ( 2 6 ) 其中乃为参考温度，4 厂= 严乃为相对于参考温度的温度变化量，当应变为o 胆， 温度为2 0 ，泵浦光波长为1 5 5 0n m 时，普通单模石英光纤的布罩渊频移约为l l g h z ，由式( 2 6 ) 可知布罩渊频移与温度成线性关系，温度每变化1 ，布罩渊频 移变化约1 2m h z 。 2 1 1 2 布里渊频移的应变特性 在分析应变g 与布里渊频移的关系时，不考虑温度变化对频移的影响，即在假 设温度为一固定值( 如碌2 0 ) 的条件下来考察应变对布里渊频移的影响，于是 8 华北电力人学硕七学位论文 式( 2 3 ) 中的布里渊频移与应变的关系可表示为 嘣即) = 警蝇 兰! 墨：三! ! ! 二! ! 墨：趔 【1 + “( 死，占) 】 1 2 “( 瓦，) 】p ( 瓦，s ) ( 2 7 ) 其中，应变对光纤材料折射率的影响是通过弹光效应引起的：应变对杨氏模量 和泊松比的影响，与光纤内部原子间的相互作用势有关。对小应变，在g = 0 点对式 ( 2 7 ) 用泰勒级数展开展开，准确到f 的一次项，并令= 刀。以( 瓦，0 ) 、 “。= “( 瓦，o ) “。【2 一”( 瓦，o ) 】 1 一“2 ( 毛，o ) 【l 一2 “( 毛，o ) 】) 、帆= 一以2 p ( 瓦，o ) 、 蝇= 疋2 e ( 乃，o ) ，可以得到 ( 乃，s ) = ( 毛，o ) il + ( + 以+ 疋+ 缸。) l ( 2 8 ) 对上式中的各个应变相关的参数，我们同样不对其取值的详细推导加以讨论， 只给出其典型取值 = _ 0 2 2 见= o 3 3 丝= 2 8 8 “。= 1 4 9 这样可以得到 ，占( 瓦，占) = ，矗( 瓦，0 ) ( 1 + 4 4 8 占) ( 2 1 0 ) 1 ，口= v b ( 瓦，s ) 一1 ，8 ( 毛，o ) = 4 4 8 ( 瓦，o ) ( 2 一1 1 ) 在应变对布里渊频移的影响中，杨氏模量、泊松比对频移变化的贡献远大于其 它两个参数，因此，光纤中由应变引起的布里渊频移变化主要是通过调制杨氏模量 和泊松比实现的。 由于光纤中应变g 的数量级为1 0 一，所以由式( 2 1 1 ) 可知， 叱( 丁o ，o ) 4 5 1 0 - 3 ，当入射光波长为1 5 5 0n m ，单模普通石英光纤在常温及无 应变的情况下的布里渊频移约为1 1g h z ，故应变每变化1 0 - 3 所引起的布里渊频移变 化v 口约为5 0 删z 。 2 1 2 布里渊强度的温度和应变特性 根据瑞利散射强度公式2 8 1 ，类似得到布罩渊散射强度的表示式 b = 只s 肌2 ( 2 1 2 ) 其中，尼为入射光功率，s 为布里渊散射的背向捕捉系数，a 。为布里渊散射损 耗系数，为脉冲宽度，y 为光纤中的光速。5 可表示为【2 8 】 9 华北电力大学硕+ 学位论文 s = ( 五，z ) 2 4 万4 晡 其中，九为真空中光波长，门为纤芯折射率，锄为光纤有效面积， 口占= ( 8 3 ) ( 石3 旯4 ) 七r ( 九8 p 1 2 2 p l 2 ) 其中，七为波尔兹曼常数，丁为绝对温度，p j 2 为光纤的弹光系数， 料的密度，纥为光纤中声波的纵模声速。 由式( 2 1 2 ) 至式( 2 1 4 ) 可知，布里渊强度也是温度和应变的函数， 纤的布里渊强度，也可以得到光纤的温度和应变信息。 2 1 2 1 布里渊强度的温度特性 ( 2 一1 3 ) q b 表示为【2 9 】 ( 2 1 4 ) p 为光纤材 通过测量光 当温度变化时，光纤的热胀冷缩必然导致光纤有效面积的变化，但这对布里渊 强度的影响很小，且分析较复杂。在忽略温度对光纤有效面积的影响的情况下，温 度主要通过参数，l 、几圪来对布里渊信号强度产生影响，将玑圪表示为温度确函 数，代入式( 2 1 2 ) 至式( 2 一1 4 ) 中整理得到 最( 乃= 研( 五刀( 丁) ) 2 4 万锄 ( 8 3 ) ( 刀3 五4 ) “( 乃( 心( 乃8 a ：2 烈力匕( 乃2 ) 肌( 乃2 ( 2 1 5 ) 温度对折射率、杨氏模量、泊松比及密度的影响的表达式选用其他作者得出的 典型值 3 0 1 ，并取五= 1 5 5 0n m ，辟3 0 0k ，肛1 0 0n s ，标准单模光纤的有效面积 彳9 5x1 0 q 1m 2 ，p j ? = o 2 7 ，豇= 1 3 8 1 0 屯3 j k ，可以得到随光纤温度变化的布里 渊强度值，对所得数值进行线性拟合，可以得到布里渊强度与温度的关系式为 p b ( d = ( 2 0 4 + 0 0 0 7 d 1 0 一， ( 2 1 6 ) 通过计算( 几( 乃一凡( 0 ) ) 骗( o ) 可以得到布里渊强度变化的温度系数约为 o 3 4 k ，与已报导的布里渊温度系数o 3 6 0 0 6 k 【3 1 】吻合很好。 2 1 2 2 布里渊强度的应变特性 当光纤受到应力而产生形变时，光纤的弹光效应使光纤材料的刀、乃、p 等发 生变化。将式( 2 1 3 ) 和式( 2 一1 4 ) 代入式( 2 一1 2 ) 中，并将万、纥、p 分别表示 为应变占的函数，整理后可得布里渊散射强度与应变的关系式为 b = j p 【( a 以( f ) ) 2 4 万如】( 8 3 ) ( 万3 五4 ) “( 丁) ( 刀( s ) 8 只2 2 p ( s ) 巧( s ) 2 ) 肌( 占) 2 ( 2 1 7 ) 对已报导实验数据3 0 】【3 1 1 进行拟合，可得 n ( ) = 1 4 6 + o 3 1 7 s e ( 占) = e ( o ) + 5 7 5 占 ( 2 18 ) u ( s ) = 札( 0 ) + 3 0 7 占 p ( g ) = 尸( o ) 【l 一( 1 2 七) f 】 1 0 华北电力大学硕士学位论文 取a = 1 5 5 0n m ，产3 0 0k ，肛1 0 0n s ，标准石英光纤中各参数为：彳。俨9 5 1 0 叫1 m 2 ，尼= 1 - 3 8 1 0 。2 3j k ， p ，2 = 0 2 7 ，甩( o ) = 1 4 6 ，并将式( 2 一1 8 ) 的分析结果代入 式( 2 1 7 ) 中，可得输出功率与应变的对应关系，对其数值进行线性拟合，可以得 到布里渊强度与光纤应变的关系式为 j p b ( s ) = ( 2 1 9 2 1 5 l ) 1 0 一， ( 2 1 9 ) 通过计算( p b ( ) 一p b ( 0 ) ) p b ( o ) 可以得到布里渊强度变化的应变系数为 一9 8 2 1 0 。4 肛，与实验报导的数据( 一7 7 1 4 ) 1 0 。4 胆【3 1 】吻合很好。 2 2 传感模型 前面我们从理论上分析了布里渊散射的频移、强度与温度、应变的关系，并根 据理论分析得到了它们之间的定量关系。通过这些分析我们可以建立以下布里渊频 移、强度只与温度和应变关系的模型 = + 鲫+ c 旧蟾 ( 2 2 0 ) 弓= b o + c 尸t r + c p 丛占 ( 2 2 1 ) 其中，口。、尼。分别为参考温度、应变下的布里渊频移和强度；丁和占分别 为温度和应变的变化量；c 竹、c 馆、c h 、c 喏分别为布里渊频移、强度的温度和 应变系数。 在由实际系统测得布里渊频移和强度后，由前面的式( 2 2 0 ) 和式( 2 2 1 ) 可 得到矩阵 z 二州乏跳习 浯2 2 ， 如果系数矩阵满足e r q ，则可利用测得的布里渊频移和强度同时测得 温度和应变 豳= 眨丧兀捌 浯2 3 ， = 南臣乏豫芝i g r 一e 。c p r il g rc v r 儿名一只。j 由此可得光纤上某点z 处的温度t ( z ) 和应变( z ) 可以表示为 r ( z ) = 写+ 一 ( z ) 一。 + p ( z ) 一只。 ( 2 2 4 ) 1 1 华北电力大学硕+ 学位论文 s ( z ) = + 7 7 c c 尸r 【v 口( z ) 一。卜c ，r p ( z ) 一b 。 ( 2 2 5 ) 其中，2 而丢碉， 瓦和是对应于( 。，b 。) 的参考温度和应变。 t r p a r k e r 等人通过实验对布里渊散射的温度和变系数进行了测量，并给出以 下测量结果【3 l 】 c 0 2 1 1 0 0 0 2 m h z k g 。20 0 4 8 3 o 0 0 0 4 m h z 乒瞎 c p r = 0 3 6 o 0 6 k = 一( 7 7 1 4 ) l o _ 4 肛 对于一个实际的布里渊分布式传感系统，这些系数需通过对系统定标来得到。 2 3 传感系统整体设计 图2 1 为本文设计的基于瑞利信号与布里渊信号功率之比l p r 的微波外差检测 b o t d r 传感系统。该系统在同一条光纤线路上分别测得布里渊散射功率和瑞利散射 功率，通过计算瑞利散射功率与布里渊散射功率之比，消除由于光纤损耗、弯曲和 接头等对系统性能的影响，并精确定标光纤中布里渊频移和强度的温度和应变系 数。 图2 1 基于l p r 的微波外差检测b o t d r 传感系统 第一种配置，为了获得高的布里渊散射效率，系统采用中心波长1 5 5 0n m 、大 输出功率的窄谱光源，保证了系统的高信噪比和高测量精度【3 2 1 。光源发出的光经耦 合器1 输出，一部分光作为参考光，另一部分光经电光调制器( e o m ) 调制成脉冲 光，其中e o m 由脉冲发生器驱动。由于系统要求高消光比，e o m 需要工作在最小功 率点，做到传输无漏光。但是，e o m 需要保偏输入，且由于其性能受环境影响，为 了保证偏置电压总处于最佳工作点，需引入自动偏振控制器( p c i ) ，以调整输出 1 2 华北电力大学硕士学位论文 激光偏振态。脉冲光经光放大器e d f a l 放大，再由光环形器1 和光纤光栅1 组成的 光滤波器滤除自发热辐射( a s e ) 噪声，然后注入环形器2 的端口1 ，经端口2 被光 纤光栅2 全反射后从端口3 输出，进入传感光纤。产生的背向散射光由环形器2 的 端口4 输出，再经光放大器e d f a 2 及光纤光栅3 滤除a s e 噪声，输入到光电检测器 l 中与参考光进行相干检测。为保证两路光的偏振态匹配，在参考光路中同样加入 p c 2 用以扰乱光信号的线偏振态。光电检测器l 的输入散射光中包含瑞利散射、斯 托克斯光、反斯托克斯光等成份。光电检测器1 的输出信号中只包含1 lg h z 差频 分量，这样高频的信号无法进行精确的信号处理，需采用下变频器将其降频到2 0 0 m h z 左右，然后对变频后的信号进行处理。调整本振信号的频率，当下变频器子系 统中本振的调节步长与带通滤波器( b p f ) 带宽相等时，布里渊谱不同频率成分的 信号依次通过带通滤波器，得到一系列的测试曲线。然后对每点测试结果进行曲线 拟合，频谱幅度的最大点对应的频率便是该散射点的布里渊频移，由频谱积分得到 布里渊散射强度，最终提取出被测温度和应变信息。 第二种配置，为了减小瑞利相干噪声，系统采用宽谱脉冲光源测量瑞利散射信 号，采用直接检测方案。宽谱光源发出的光经光纤光栅2 透射后从环形器2 的端口 3 输出，经耦合器2 注入传感光纤。瑞利散射光经分光比9 5 ：5 的耦合器2 进入光 电检测器2 ，使用数据采集及处理单元对信号进行分析处理。 2 4e o m 的工作原理及性能测试 要实现沿光纤散射点的定位，注入传感光纤的光必须是脉冲光，所以需要把光 源调制成脉冲光。光源的调制分为直接调制和间接调制两种。直接调制是将调制信 号直接作用在光源上，通过调节光源的驱动电流实现光功率的调制。光强直接调制 方式设备简单且成本较低，但是，该方法易使光源产生频率调制( c h i r p ) 效应， 当光纤色散不为零时，信号通过光纤传输时会产生复合二次差拍c s o ( c o m p o s i t e s e c o n do r d e rb e a t ) 失真。采用光强直接调制时，对色散小的1 3 1 0n m 波段的传输 系统影响不大，但对1 5 5 0n m 波段