（通信与信息系统专业论文）相干botdr温度和应变传感系统关键技术研究.pdf

声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文相干b o t d r 温度和应变传感 系统关键技术研究，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。 计卜 学位论文作者签名：瑾三扇退 日期：丝! 望：墨：! 生 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：甚越 日期：边l q ：，生 导师签名： 日期：塑! 垒：y 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 分析了光纤的布里渊散射特性及其对温度和应变的传感机理，建立了布里渊散 射谱与光纤温度和应变的对应关系。对基于f f t 的b o t d r 温度和应变传感信息解 调方法进行了m a t l a b 仿真。分析了利用非线性反射镜提高b o t d r 系统信噪比的原 理，并给出了将其应用于改善直接检测和相干检测b o t d r 系统信噪比的传感模型。 设计了基于l a n d a u p l a c z e kr a t i o 的相干检测式光纤布里渊温度和应变同时测量系 统，对光源子系统、光脉冲调制子系统、微波下变频器子系统进行了详细分析，重 点设计了微波下变频器子系统并给出了具体的设计方案和各个组件的参数。完成了 系统中前向传输脉冲和背向散射信号时域波形的测试。 关键词：布里渊散射，相干检测，温度，应变 a b s t r a c t t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h es e n s i n gm e c h a n i s mo ft e m p e r a t u r ea n ds t r a i no fb r i l l o u i n s c a t t e r i n gi no p t i c a lf i b e rh a v eb e e na n a l y z e d ，a n dt h et e m p e r a t u r ea n ds t r a i nd 印e n d e n c e so f b r i l l o u i ns p e c t r u mh a v eb e e nd e d u c e d t h em e t h o dt ou s ef f tt og e tt e m p e r a t u r ea n ds t r a i n i n f o r m a t i o nd i r e c t l yo v e rw i d e b a n di nb o t d r s y s t e mh a sb e e ns i m u l a t e db ym a t l a b t h e p r i n c i p l eu s i n gn o n l i n e a rm i r r o rs t r u c t u r et oi m p r o v et h es i g n a l t o - n o i s er a t i oo fb o t d r s y s t e mh a sb e e na n a l y z e d ，a n di t sa p p l i c a t i o na r r a n g e m e n ti nd i r e c td e t e c t i o na n dc o h e r e n t d e t e c t i o nb o t d rs e n s i n gs y s t e mh a sb e e np r o p o s e d as i m u l t a n e o u sm e a s u r e m e n ts y s t e mo f t e m p e r a t u r ea n ds t r a i nb a s e do nl a n d a u - p l a c z e kr a t i o ，u s i n gc o h e r e n td e t e c t i o no f b r i l l o u i n s c a t t e r i n g , h a sb e e np r e s e n t e d t h ed e s i g ni d e a s o fo p t i c a ls o u r c es u b s y s t e m ，p u l s e m o d u l a t i o ns u b s y s t e m ，m i c r o w a v ed o w nc o n v e r t e rs u b s y s t e ma n ds oo n , h a v eb e e nd i s c r i b e d i nd e t a i lw i n l e m p h a s i s o nt h em i c r o w a v ed o w nc o n v e r t e rs u b s y s t e m t h e d e s i g n c o n s i d e r a t i o n sa n dp a r a m e t e r so fe a c hc o m p o n e n ti nm i c r o w a v ed o w nc o n v e r t e rs u b s y s t e m h a v e b e e ng i v e n f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo ft r a n s m i t t e dl i g h ta n db a c k s c a t t e r e dl i g h t s i g n a lh a sb e e nc o n d u c t e d h u a n gc h u n l i 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 ：b r i l l o u i ns c a t t e r i n g ，c o h e r e n td e t e c t i o n ，t e m p e r a t u r e ，s t r a i n 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 基于b o t d r 的温度和应变测量的研究现状1 1 2 1 直接检测2 1 2 2 相干检测2 1 2 2 1 声光移频的b o t d r 系统2 1 2 2 2 电光移频的b o t d r 系统3 1 2 2 3 微波外差检测的b o t d r 系统4 1 3 本文的主要研究内容5 第二章b o t d r 系统中温度和应变测量原理6 2 1 光纤中的布里渊散射6 2 1 1 光纤中的光散射6 2 1 2 光纤中的布里渊散射机理6 2 2 布里渊频移与温度和应变的对应关系7 2 2 1 布里渊频移与温度的关系8 2 2 2 布里渊频移与应变的关系9 2 3 布里渊强度与温度和应变的对应关系1 0 2 4b o t d r 系统中温度和应变的同时测量机理1 0 2 5 小结1 2 第三章基于f f t 的b o t d r 系统温度和应变信息解调方法1 3 3 1f f t 在谱分析中的应用1 3 3 1 1 谱分析中的参数选择1 3 3 1 2 谱分析的步骤1 4 3 2f f t 谱分析在b o t d r 温度和应变信息解调中的应用1 4 3 2 1 仿真时所用传感系统1 5 3 2 2 仿真参数的选择1 6 3 3 利用频移信息实现温度及应变解调的f f t 仿真“1 9 3 3 1 温度信息解调的f f t 仿真1 9 3 3 2 应变信息解调的f f t 仿真2 0 华北电力大学硕士学位论文目录 3 4 利用强度信息实现温度解调的f f t 仿真2 2 3 5 基于f f t 的b o t d r 温度和应变信息同时解调方法仿真2 3 3 6 小结2 5 第四章非线性反射镜在提高b o t d r 系统信噪比中的应用2 6 4 1 光纤3d b 耦合器的特性2 6 4 1 1 耦合模方程2 6 4 1 2 传输矩阵2 7 4 2 非线性反射镜工作原理2 8 4 3 非线性反射镜在b o t d r 系统中的应用3 0 4 4 小结3 3 第五章相干b o t d r 温度和应变同时测量系统3 4 5 1 传感系统整体设计3 4 5 2 光源子系统3 5 5 2 1 窄谱光源3 5 5 2 2 宽谱光源3 6 5 3 光脉冲调制子系统3 6 5 4 微波下变频器子系统3 7 5 4 1 低噪声放大器的选择3 8 5 4 2 微波混频器和微波检波器的选择4 2 5 4 2 1 微波混频器的选择4 2 5 4 2 2 微波检波器的选择4 4 5 4 3 频率综合器模块的选择4 5 5 4 4 带通滤波器的选择4 9 5 5 相干检测中的消偏振衰落技术4 9 5 6 部分实验结果5 0 5 6 1 前向脉冲光测试5 0 5 6 2 背向散射信号的测量5 1 5 7 小结5 2 第六章总结 参考文献 致谢 在学期间发表的学术论文和参加科研情况 i l 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论帚一早珀t 匕 1 1 引言 光纤传感技术自从2 0 世纪7 0 年代问世以来，得到了广泛的关注。与传统的机 械类和电类传感器相比，光纤传感器具有光学敏感测量和光纤传输的许多优点，例 如灵敏度高、耐高压、耐腐蚀、体积小、重量轻、适应恶劣环境等诸多优点【1 1 。此 外由于在分布型光纤传感系统中，光纤本身既是探测元件又是传输元件，所以这种 传感技术的一个显著特点就是可以准确地测量出光纤沿线任一点的温度和应变等 信息。如果将光纤铺设成网状即可以构成一定规模的监测网，便于实现对监测对象 的分布式组网监测，从而提高监测的范围和效果【l j 。 在分布式光纤传感系统中，基于拉曼散射和瑞利散射的光纤传感技术的研究比 较成熟并且已经实用化；基于布里渊散射的光纤传感技术在温度、应变测量上所能 达到的测量精度、测量范围及空间分辨率均优于上述两种传感技术，在长距离分布 式光纤传感系统中具有广泛的应用前景【2 1 ，因此在目前得到了广泛的关注与研究。 国外对基于布里渊散射的分布式光纤传感技术的研究主要集中在加拿大、日本、英 国和美国等国家，近十年来已经取得了大量理论和实验研究成果。国内对基于布里 渊散射的分布式光纤传感技术的研究开始于2 0 世纪九十年代中后期，主要进行了 一些原理研究和探索性实验研究。由于一些关键技术没能得到很好地解决，使得该 类产品的成本很高，难以普及应用，而且对于测量精度和空间分辨率要求很高的场 合下，用现有技术甚至在理论上都不能解决。如果能够在理论和技术上解决这些问 题，必将促进它在通信光缆、电力电缆、长距离输油管道等的健康诊断中的应用。 1 2 基于b o t d r 的温度和应变测量的研究现状 目前，基于布里渊散射的分布型光纤传感系统主要有三种方案：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。 在提出b o f d a 方案后，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 ，温度精度5 的实验结果【3 l 。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 】。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 系统进行了大量的研究工作，实现了传感距离5 1k m ，温度精度1 ， 空间分辨率5m 的测量【5 l 。2 0 0 4 年x b a o 等人用保偏光纤实现了应变分辨率1 0 3 0 邮、温度分辨率l 2 和1 5c l l l 缝隙的测量【6 】。布里渊频移不仅和温度有关，而且 l 华北电力大学硕士学位论文 和应变也有关，x b a o 7 1 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 公司与加拿大的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，温度分辨率为1 ，应 变分辨率为2 5h ，空间分辨率1m 的性能指标，并且实现了最小空间分辨率小于 1 0c m 的性能指标。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。 1 2 1 直接检测 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， 而且相对于入射光来说布里渊频移很小，检测起来较为困难。通常采用的检测方法 有直接检测【9 ，1 0 】和相干检测【1 1 m 1 两种。直接检测是利用法布里珀罗( f p ) 干涉仪或马 赫曾德( 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f 1 4 】和m z 干涉仪【1 5 】等方法实现了直接检测布里渊散射信号 的实验研究，并且通过对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。 1 2 2 相干检测 相干检测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，因此国内外对相干检测的研究较多。日本的k u r a s h i m a 1 6 1 、s h i m i z u 1 7 】 等人先后分别用外差和自外差相干检测方法实现了自发布里渊散射信号的测量，传 感系统的温度分辨率为3 ，应变分辨率为0 0 0 6 ，空间分辨率为1 0 0m 。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8 ，空间分 辨率5 0m 的测量【1 8 】。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 0 k m ，温度分辨率5 2 ，空间分辨率5 01 1 i 的测量【1 9 】。目前主要有三种相干检测系 统，即声光移频的b o t d r 系统、电光移频的b o t d r 系统及微波外差检测的b o t d r 系统。 1 2 2 1 声光移频的b o t d r 系统 1 9 9 4 年k a o r us h i m i z u 等人首次在光路中引入声光移频环路实现了b o t d r 相 干检测系统【 】，得到了空间分辨率为1 0 0m ，温度应变测量精度为2k 0 0 1 的指 标。声光移频的b o t d r 系统原理框图如图1 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，入射到由掺饵光 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 定的次数可以使探测脉冲光的频移量屹与布里渊频移y 。大致相同，然后探测脉冲光 经e d f a 放大入射到传感光纤，传感光纤中返回的后向布里渊散射光直接被外差接 2 厶 华北电力大学硕士学位论文 收机检测。由于后向布里渊散射光的频率接近于参考光的频率，因此外差的频率 屹一可以小于1 0 0m h 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 率可以测得布里渊频谱，布里渊频谱的峰值频率即为布里渊频移。 移频环路a 0 2 图1 1 声光移频的b o t d r 系统原理框图 由于a o 通常一次最大只能移频1 2 0m h z ，需经上百次的移频才可实现1 lg h z 的频率变化。为了构建布里渊谱还需探测脉冲光可以扫频，这就要求a o 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 的采用增加了系统光学部分的复杂度，影响了系统的稳定性和测量精度。 日本a n d o 公司与n t t 公司采用基于上述光学移频的技术，研制了分布式光纤 应力监测仪a q 8 6 2 0 a q 8 6 0 2 b ，该仪器的应力测量精度为1 0 0 肛，空间分辨率为1 m ，最大测量距离为5 5k m 。 1 2 2 2 电光移频的b o t d r 系统 图1 - 2 电光移j 顷的b o t d r 系统原坪框图 电光移频的b o t d r 系统原理框图1 3 】如图1 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，这里同样采用普通的 外差接收机检测。与采用声光移频的b o t d r 系统不同的是，采用电光移频的 b o t d r 系统，利用单只电光移频器取代了声光移频b o t d r 系统中的声光移频环 3 华北电力大学硕士学位论文 路。由于电光移频器一次就可以移频1 1g h z ，这样就相对简化了系统的光路，但 是电光调制器对光路的偏振控制特性提出了更高的要求。同样为了获得布里渊频 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【1 2 】， 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 测方法在传感距离为2 5k m 时，达到了3 的温度分辨率、1 0 0 肛的应变分辨率和 1 0m 的空间分辨率【2 0 】；在3 4k m 传感距离时，达到了2 0 0p 的应变分辨率和1 0m 的空间分辨率【2 1 1 。虽然国外已利用此方法实现温度和应变的同时测量，但是目前国 内只是实现了温度或应变的单独测量。国外目前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。 1 2 2 3 微波外差检测的b o t d r 系统 图1 3 微波外差检测的b o t d r 系统原理框图 微波外差检测的b o t d r 系统原理框图如图1 3 所示。从光源发出的频率为的 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，然后采用光纤放大器e d f a 将该信号功率放大到合适值。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，并通过滤波去除直流成分和高次谐波。此时，输出信号只有差频 项，将其和微波本振产生的信号再次混频，得到基带信号。通过连续改变微波本 振的频率，可构建布里渊频谱，对频谱进行洛仑兹曲线拟合可计算得到。 在国外，英国s o u t h a m p t o n 大学最早提出了微波外差检测方法，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比( l a n d a u p l a c z e kr 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 1 3 , 2 2 】，但所达到的测量精度比较 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。 为了探讨在测量布里渊信号时提高系统空间分辨率的方法，可在每个周期连续 4 华北电力大学硕士学位论文 向光纤发送两个光脉冲构成双脉冲b o t d r 系统，通过声子寿命内同一声波产生的 布里渊散射光的相干特性，来解决系统空间分辨率和布里渊频移分辨率之间的矛 盾。在图1 3 中，经过混频器和微波本地振荡器对散射回来的高频信号进行下变频 后，再通过匹配滤波器进入数据采集和处理单元。经匹配滤波器后的信号频谱具有 振荡特性，它是由双脉冲中前一个脉冲和后一个脉冲产生的布里渊散射信号之间的 相干作用引起的。利用这种振荡特性，可以精确地得到布里渊散射信号的峰值频率。 日本的y k o y a m a d a 等人提出基于双脉冲布里渊光时域反射计( d p b o t d r ) 的传感 系统，实现了空间分辨率为2 0 啪，应变分辨率为士2 0 肛的性能指标【2 ”。 1 3 本文的主要研究内容 本文依托华北电力大学承担的国家8 6 3 计划课题“光纤温度链及测量技术”开 展研究，在对布里渊散射的分布式传感理论和技术研究的基础上，完成相干检测光 纤布里渊温度和应变分布同时测量系统方案的设计及优化，并完成部分实验研究工 作。本文的主要研究内容如下。 ( 1 ) 研究光纤的布里渊散射特性及布里渊频移和强度的温度和应变响应特性，为 传感系统的研究奠定理论基础。 ( 2 ) 研究传感系统的测量精度、测量时间、空间分辨率和传感距离的内在联系， 从理论上寻求提高测量精度、空间分辨率、传感距离和减小测量时间的方法，为传 感系统的设计和优化提供理论指导。 ( 3 ) 研究微波下变频器的工作原理及其性能参数对布里渊谱测量精度的影响，完 成微波下变频器的整体设计及各单元电路的参数选择。 ( 4 ) 研究微波外差检测的偏振衰落问题，采取合适的消偏振衰落措施，减小本振 光与信号光的相对相位差和偏振失配对输出外差信号的影响。 ( 5 ) 在对整体和各个部分进行深入研究的基础上，完成基于l p r 的微波外差检 测b o t d r 传感系统设计。 ( 6 ) 搭建实验系统，完成部分实验工作。 5 华北电力大学硕士学位论文 第二章b o t d r 系统中温度和应变测量原理 基于布里渊散射的分布式光纤温度和应变传感技术，是利用探测脉冲光在光纤 中发生的布里渊散射效应来实现对光纤温度和应变的分布式测量的。本章从介绍光 纤中的光散射现象入手，分析布里渊散射的温度和应变传感机理以及相干b o t d r 系统中温度和应变的同时测量方法。 2 1 光纤中的布里渊散射 2 1 1 光纤中的光散射 当光波在介质中传输时，大部分是向前传输的，有一小部分会偏离原来的传播 方向而发生散射。散射光的强度、方向、偏振态及频谱与入射光有所不同【2 4 1 。传输 介质的成分、结构、均匀性以及物质变化，与光散射的特性变化有着紧密的关系。 对于传导光波信号的光纤来说，其中的光散射现象主要是由光纤材料在微观空间的 颗粒状结构和玻璃中存在的像气泡这种介质的不均匀结构引起的。根据光纤中产生 介质不均匀性的原因不同，可以将光纤中的散射分为瑞利散射、拉曼散射和布里渊 散射三种。其中，瑞利散射中的介质不均匀性由非传播性的墒起伏或介质各向异性 分子的取向起伏所引起；拉曼散射则主要由分子内部的振动或光学声子波引起；而 布里渊散射则是由声波或声学声子波引起的。从量子理论的观点来看，光散射是光 子与传输介质中的微观粒子发生弹性或非弹性碰撞引起的，碰撞的结果使入射光子 散射为一个能量或方向与入射光子不同的散射光子，相应微观粒子的能量和动量都 发生变化，并遵循能量守恒和动量守恒定律。 2 1 2 光纤中的布里渊散射机理 光纤中的布里渊散射是入由射光与光纤中的弹性声波场之间相互耦合而产生 的一种非线性光散射现象。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【2 5 1 。 在入射光的功率不太高的情况下，光纤中存在着由其组成粒子自发热运动所形 成的连续弹性力学振动，这种弹性振动将引起介质密度随着空间和时间周期性的起 伏，相应地在介质内部会产生自发的声波场，这个声波场使介质中产生一个与声波 传播速度相同的运动的折射率光栅。当光入射到介质时，折射率光栅使入射光产生 散射，折射率光栅的运动使得散射光产生多普勒频移。散射光称为布里渊散射，散 射光的频移称为布里渊频移。用量子物理学可以将自发布里渊散射解释如下，即一 个泵浦光子转换成一个新的频率较低的斯托克斯光子并同时产生一个新的声子；同 6 华北电力大学硕士学位论文 样地，一个泵浦光子吸收一个声子的能量转换成一个新的频率较高的反斯托克斯光 子。因此在自发布里渊散射光谱中，同时存在能量相当的斯托克斯和反斯托克斯两 条谱线，它们相对于入射光的频移大小与光纤材料声子的特性有直接关系。 当大功率的泵浦光入射到光纤中时，自发布里渊散射的强度增加，当增加到一 定程度时，反向传输的斯托克斯光和泵浦光将发生干涉作用，产生较强的干涉条纹， 使光纤局部折射率增大，产生电致伸缩效应。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子，同时激发出来的散射光又加强 声波，如此相互作用，产生很强的散射，这就是受激布里渊散射( s a s ) 。受激布里 渊散射过程如图2 1 所示。 布里渊散射 图2 - 1 受激布里渊散射过程示意图 在自发布里渊散射中，由于光纤内部存在着与入射光方向相同和不同的自发声 波，按照多普勒效应，散射光中包含了比入射光频率低的斯托克斯光和比入射光频 率高的反斯托克斯光。但是在受激布里渊散射中，主要是靠入射光波的电致伸缩力 在介质内激起声波反过来对入射光波产生散射。入射光本身激发的只有与入射光相 同方向的声波，当不考虑自发布里渊散射时，散射光只有斯托克斯一种频率分量【2 6 1 。 本文主要对基于自发布里渊散射的光纤传感技术进行研究，后面如无特殊说明，所 指布里渊散射均为自发布里渊散射。 2 2 布里渊频移与温度和应变的对应关系 通过前面的分析可知，布里渊散射是由介质中的声学声子引起的一种非弹性光 散射，其散射光相对于入射光的布里渊频移由介质的声学特性和弹性力学特性决 定。此外还与入射光频率和散射角口有关，即 = 屹一屹= 一屹22 鲁s i n ( 8 2 ) = 2 n v a 么( 2 1 ) o 式中，屹为斯托克斯光频率，屹。为反斯托克斯光频率，n 为介质折射率，c 为真空 中的光速，九为入射光在真空中的波长，屹为光纤中的声速。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，只考虑后向散射的情形，即 7 华北电力大学硕士学位论文 0 = 万。光纤中的声速l ，。可以表示为【2 6 】： 屹= 4 ( 1 一o e o + k ) o 一2 k ) p ( 2 - 2 ) 式中，e 为杨氏模量，k 为泊松比，p 为光纤纤芯密度。 由于光纤的折射率、杨氏模量、泊松比和纤芯密度等参数都是温度r 和应变f 的 函数，分别记为n ( t ，g ) 、层( l 占) 、k ( t ，g ) 、p ( t ，占) ，将它们代入式( 2 1 ) 可得布里渊 频移与温度和应变的关系式为 味即，寺帆，岳意梨旃黜丽 弘3 ， 2 2 1 布里渊频移与温度的关系 在式( 2 3 ) 中，假设应变g 为0 且保持不变，则布里渊散射光频移随温度的变化 关系可以表示为 仉专，z 仉k 高器然 ( 2 4 ) 当温度变化较小时，各参量随温度的变化可用泰勒级数展开的一次项近似为 f n ( t ，o ) n ( r o ，0 ) + n r 丁 黝意k ( rz 譬掌p5，ol 后( l 0 ) ，0 ) + 弓丁 、7 【p ( l o ) p ( t o ，o ) + p r 。丁 式中r o 为参考温度，一般取2 0 ，丁= 丁一瓦为相对于参考温度的温度变化量，脚、 耳、k 、岛分别为折射率、杨氏模量、泊松比和纤芯密度的温度系数。 将式( 2 5 ) 代入式( 2 - 4 ) 中，做二项式展开，准确得到z 的一次项如式( 2 6 ) 所示。 ( f ，0 ) v , ( t o ，o ) 【1 + ( ，+ 辱+ 弓+ a p r ) a r 】 ( 2 - 6 ) 式中 曲r 2 ：丽n r 面 屿= 2 e ( r l o , o ) ( 2 7 ) 嘶：掣型些丛型盟 。 【1 一k 2 ( 瓦，0 ) 】 1 2 k ( t o ，o ) 】 岍2 而- , o r 当t o = 2 0 时，对一般单模光纤而言，n ( t o ，0 ) = 1 4 6 ，n r = 0 6 8 x 1 0 * c ，e ( t o ，o ) 8 华北电力大学硕士学位论文 - - 7 3 x 1 0 l o , e r = 1 3 5 x 1 0 7 c ，k ( r o ，o ) = o 1 7 ，砗- 4 3 8 x 1 0 一 c ，岛= p ( t , 0 ) x 1 6 5 x 1 0 6 c ，由上述数值可计算出坼= 0 4 7 x 1 0 ，a e r = 9 2 4 x 1 0 一，蝇= 2 1 4 x 1 0 一， 岛一0 0 8 x 1 0 。由此得到布里渊频移与温度变化的关系为 ( l o ) = ( t o ，0 ) ( 1 + 1 1 8 x 1 0 _ 4 d ( 2 8 ) 由上式可知，布里渊频移与温度成线性关系，温度每变化l ，布里渊频移变 化约1 2m h z 2 7 】，实验结果也验证了布里渊频移随温度近似线性变化的这种关系 【2 8 】o 2 2 2 布里渊频移与应变的关系 应变通过弹光效应会引起折射率的变化，而应变对声速的影响则是通过对e 、 k 、p 的影响实现的。密度随应变而变化是显而易见的，而应变对杨氏模量和泊松 比的影响，则与光纤内部原子间的相互作用势有关，一般来讲，两者均与小应变s 近 似成线性关系。由此可见，应变势必引起布里渊散射频移的变化，两者之间有确定 的对应关系。与前面分析温度对布里渊频移的影响类似，在分析应变对布里渊频移 的影响时，不考虑温度变化对频移的影响，即假设温度为一固定值( 如瓦= 2 0 ) ， 于是布里渊频移与应变的关系可表示为 v b ( 7 0 加警咒( t o ， e ( 7 0 ，6 ) 1 - x ( t o ，叫 【l + k ( r o ，z ) 1 - 2 k ( t o ，叫觚，曲 ( 2 - 9 ) 因为光纤的应变属于微应变，在占= 0 处对式( 2 9 ) 做泰勒展开，只保留一次项得 到布里渊频移与应变占的关系函数为 ( 五，占) = ( 写，o ) 【1 + ( + a e e + 吒+ 以) 占】 ( 2 - 1 0 ) 式中 觚2 而n 河6 峨2 云南( 2 - 1 1 ) 尼： 堡垒! 墨：堕【兰二垒! 墨! q 塑 8 【1 一k 2 ( t o ，0 ) 】 1 - 2 k ( t o ，o ) 】 舰2 蔹筠 其中，n 。、疋、屯、成分别为折射率、杨氏模量、泊松比和纤芯密度的应变系数。 翔= 1 5 5 0n m ，帆= _ o 2 2 ，皈= 2 8 8 ，馘= l - 4 9 ，舰= o 3 3 时，可以得 到布里渊频移与应变的关系为 9 华北电力大学硕士学位论文 v ( r o ，占) = ( 瓦，o ) ( 1 + 4 4 8 c )( 2 1 2 ) 上式表明布里渊频移随光纤应变近似线性变化。当入射光波长为1 5 5 0a m 时， 普通单模光纤在常温下，应变每变化1 0 0 所引起的布里渊频移变化y 。约为5 0m h z 【2 9 1 。m n i k l e 等人的实验也得到了与式( 2 1 2 ) 类似的关系式【3 0 1 对于1 3 1 0n m 波长 的光源而言，1 的光纤应变会引起近6 0 0m h z 的布里渊频移。 2 3 布里渊强度与温度和应变的对应关系 光纤温度和应变的变化不仅会引起布里渊频移的变化，而且也会引起布里渊强 度的变化。布里渊散射功率p b 与温度和应变有如下关系【3 1 】 乞2 等，最2 揣 ( 2 - 1 3 ) 式中，只是瑞利散射系数，其它系数都是和应力、温度无关的因子。当t = 3 0 0k 、 光源波长为1 5 5 3 8n m 时，对于普通的单模光纤而言有【3 2 】 丽i o o a p 雪= 丁+ 占 ( 2 一1 4 ) 式中，鳓和叱是归一化的布里渊散射功率和功率变化量，c 盯、c p b 分别为布里渊 散射信号强度的温度系数和应变系数。t r p a r k e r 等人通过实验得到c 萨o 3 6 k 、 c h = - 7 7 x 1 0 4 肛【3 3 1 。结合式( 2 1 4 ) n - i 以看出，布里渊散射强度随温度变化明显，而 随应变的变化相对较小。 2 4b o t d r 系统中温度和应变的同时测量机理 基于b o t d r 的光纤传感技术，利用布里渊频移随应变和温度成线性变化的关 系，可以实现对温度或应变的分布式测量。但是由于布里渊频移同时受温度和应变 的影响，仅由单一的布里渊频移无法分辨出该频移的变化是由应变还是由温度所引 起的，这就出现了传感光纤布里渊散射谱参数对温度和应变的交叉敏感问题【3 4 】。 解决基于布里渊散射的全分布式光纤传感器交叉敏感问题的最初方案是在测 量光纤旁布置参考光纤，让参考光纤不受应变的影响，通过测量获得参考光纤上所 获得的温度信息，然后从测量光纤的测量信息中去除温度信息以获得待测场的应变 信息，这样就可以实现温度和应变的同时测量。这种方案由于需要同时并行布置两 套光纤，在某些情况下难以适用。目前研究的方案主要是利用传感光纤自身来解决 交叉敏感问题，大致可以分为以下四种方案【3 5 】： ( 1 ) 基于布里渊散射谱的双参量矩阵法 1 0 华北电力大学硕士学位论文 基于布里渊散射谱的双参量矩阵法的基本思想是选择布里渊频移以外的另外 一个参量x ，通过利用频移与应变和温度的线性关系以及参量x 与温度或应变的不 敏感性，或者参量x 与应变和温度的线性关系，实现应变和温度的同时测量【3 6 , 3 7 1 。 ( 2 ) 基于特种光纤的双频移矩阵法 基于特种光纤的双频移矩阵法使用的特种光纤具有多个布里渊散射峰，可利用 某两个布里渊散射峰具有不同的频移应变系数和频移温度系数的特性，构建一个 频移应变系数和频移温度系数矩阵，从而实现应变和温度的同时测量 3 8 , 3 9 】。 ( 3 ) l a n d a u - p l a e z e kr a t i o ( l p r ) 法 l p r 法的原理是利用瑞利散射光功率来解调布里渊散射光功率，消除由熔接损 耗、微弯等情况对布里渊光功率造成的影响【4 们。这种方法本质上是基于布里渊散射 谱的频移和峰值功率双参量矩阵的一种改进。 ( 4 ) 联合其它物理效应法，如联合拉曼散射和自发布里渊散射效应。 上述四种解决布里渊分布式传感技术的交叉敏感问题的方案中，基于普通单模 光纤的布里渊散射谱的双参量矩阵法是目前的主要方案，但是由于传感光纤中引起 布里渊峰值功率变化的因素很多，测量结果容易受外界干扰。基于特种光纤的双频 移矩阵法由于需要特种光纤作为传感器件，传感系统的成本会显著增加，而且这种 方法也难以应用到已铺设的光纤中去。联合其它物理效应法，除了需要测量布里渊 散射谱外，还要测量瑞利散射或拉曼散射，系统结构比较复杂，实用化也比较困难。 在设计相干b o t d r 温度和应变同时测量系统时，本文采用l p r 法来解决交叉敏感 问题。 根据布里渊频移和布里渊强度变化与传感光纤温度和应变的变化关系，在 b o t d r 系统中可以同时测量温度和应变的分布信息。在实际应用中，由温度和应 变引起的布里渊强度和频移的变化可表示为 阱a v b 乏乏阍 亿 式中，是布里渊频移变化量，必最是布里渊强度相对变化量，r 及占分别 为光纤的温度和应变变化量。c 0 、c | 佑、分别为布里渊频移及强度的温度 和应变系数。根据已报到的相应系数值3 2 1 ，c 0 c 佑= 一1 9 3 ，系数矩阵满足 非奇异条件，即c 0 c o c p r ，所以通过公式( 2 - 1 5 ) n - - i 以得到温度和应变的变化量 为 阱际 曼一划攀i 弘峋 k j2 而丽【一乙训等l u 叫” 华北电力大学硕士学位论文 布里渊强度的变化除了受光纤温度和应变的影响之外，还会受到光纤损耗、弯 曲和接头等的影响。为了消除这些因素的影响，使用瑞利散射强度与布里渊散射强 度之比( l p r ) 的方法来确定叱b 。由于测量布里渊散射和瑞利散射强度的实验装 置不同，导致所测的两种散射光的绝对强度也不同，并且瑞利散射强度也受到温度 变化的影响【4 。在实验方案中引入一段己知温度和应变的参考光纤，用参考光纤所 测得的散射强度来补偿传感光纤的散射强度，进而修正叱b 的数值。此时，参考 光纤的布里渊强度与瑞利散射强度之比可表示为 = 糯( 2 - 1 7 ) 式中，( r e f ) 、足( 阿) 分别为参考光纤的布里渊强度和瑞利散射强度。修正后的 屹最可以表示为 堡盟：垡盟：墨盟二墨盟兰垒 ( 2 - 1 8 ) 忍( z ) 最0 ) 最( z ) c 胎 、。 式中，乞( z ) 、只( z ) 为传感光纤距离为z 处的布里渊散射强度和瑞利散射强度。这 样，结合b o t d r 系统所测得的值及上式所确定的修正后的叱只值，将他们 代入式( 2 1 6 ) ，就可以同时得到r 及占的值。由此，传感光纤z 处的温度r ( z ) 和应 变占( z ) 可以表示为 z ( z ) = h ，i 们+ r( 2 - 1 9 ) 占( z ) = s ( r e f ) + s( 2 - 2 0 ) 式中，t ( r e f ) 及占( 硝) 分别为参考光纤上的温度和应变。 2 5 小结 本章首先介绍了光纤中的光散射理论，分析了传感光纤中自发布里渊散射的频 移和强度与所处环境的温度和应变的关系。根据自发布里渊散射的频移及强度与温 度和应变的关系，结合l p r 消除交叉敏感的方法，并引入参考光纤来修正自发布里 渊散射强度的相对变化量，得到了b o t d r 系统中温度和应变同时测量的传感模型， 为传感系统的研究奠定了理论基础。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 第三章基于f f t 的b o t d r 系统温度和应变信息解调方法 b o t d r 技术是一种基于布里渊散射的全分布式光纤传感系统，可以实现对应 变或温度分布的测量。在采用扫频方式进行布里渊谱测量时，需要多次测量才能得 到所需的布里渊散射谱数据，因而测量时间比较长。通过增加每次测量的带宽可以 减少测量时间，但又会导致测量精度的降低。利用f f t 可以直接从光电检测器的输 出信号中提取布里渊信号的频移和强度信息，从而避免频率的扫描，提高测量速度。 本章主要对基于f f t 的布里渊光时域反射测量方法进行分析，分别利用布里渊频移 变化和强度的相对变化实现应变及温度信息的解调仿真，并利用布里渊强度和频移 信息实现温度和应变信息同时解调的仿真。 3 1f f t 在谱分析中的应用 库利( c o o l e y ) 和图基( t u k e y ) 在前人研究成果基础之上提出了一种快速计算离散 傅里叶变换( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ，d f t ) 的算法，之后，又出现了各种各样的 快速计算d f t 的方法，这些方法统称为快速傅里叶变换( f a s tf o u r i e rt r a n s l a t i o n ， f f t ) 。在基于f f t 的b o t d r 系统温度和应变解调方法的研究中，选用基