（水声工程专业论文）基于自发布里渊散射的分布式光纤传感关键技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 布里渊散射阈值光纤水昕器阵列 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t a c o u s t i cs u r v e i l l a n c ei nt h el i t t o r a lc o n s i s t i n go f l a r g e s c a l ef i b e ro p t i ch y d r o p h o n e a r r a ya n dl o n g d i s t a n c et r a n s m i s s i o nf i b e rc a b l ei so n eo ft h ei m p o r t a n td e v e l o p m e n t a l d i r e c t i o n so ff i b e ro p t i ch y d r o p h o n e h o w e v e r , t h et r a n s m i s s i o nc a b l ea n dt h ed e t e c t i n g c a b l eo fo p t i c a lf i b e rh y d r o p h o n ea r r a ya r eo f t e nd e s t r o y e db ys u b m a r i n ec 趸t r r e n t ， h a l o b i o s ，m a n m a d ea c t i v i t i e sa n ds oo n f r e q u e n to p t i c a lc a b l e 仃d u b l e sn o to n l yb r i n g g r e a tl o s st ot h ee c o n o m y ，b u ta l s od e d u c et h es u r v e i l l a n c es y s t e ms t o pw o r k i n g m o r e o v e r , m i l i t a r yc o m m u n i c a t i o nc a b l e sm a yb ed i s t i n c tt a r g e t so fw i r e t a pa n da t t a c k s f r o mt h ee n e m ys t a t e s d 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 gb a s e do nb r i l l o u i ns c a t t e r i n g h a sd r a w nal o to fi n t e r e s ti nt h es e n s i n gf i e l db e c a u s eo fi t sh i g hp r e c i s i o no f t e m p e r a t u r ea n ds t r e s st e s t o n l yaf i b e rs h o u l db eu s e di nt h ed i s t r i b u t e do p t i c a lf i b e r s e n s o rs y s t e mt od e t e c tt h ef a u l to ft h es u b m a r i n eo p t i c a lc a b l e ，w h i c hc a nf a s tl o c a t e t h ef a u l t a f t e rt h et r o u b l eh a p p e n s ，r e d u c et h et i m eo fr e p a i r , a n dd e c r e a s et h e e c o n o m i c a ll o s s w h i t sm o r ei m p o r t a n ti st h a ti tc a ni n s p e c tt h es t r e s sd i s t r i b u t i o no f t h ec a b l ea n dw a r nd a n g e rp r e v i o u s l yb e f o r et h ea c c i d e n t c o m b i n i n gw i t ht h er e s e a r c ho no p t i c a lf i b e rh y d r o p h o n ei no u rg r o u p w e i n v e s t i g a t et h ek e yt e c h n i q u e so fd 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 gb a s e do nb r i l l o u i n o p t i c a lt i m e d o m a i nr e f l c c t o m e t c r ( b o t d r ) m a k i n gu s eo ft h ef r e q u e n c ys h i f t c h a r a c t e r i s t i c so fal i n b 0 3w a v e g u i d ee l e c t r o - o p t i ci n t e n s i t ym o d u l a t o r ( e o i m ) ，w e o b t a i nt h er e f e r e n c e dl i g h tw i t hb r i l l o u i n gf r e q u e n c ys h i f tf o rt h eh e t e r o d y n ed e t e c t i o n i nb r i l l o u i ns t r e s ss e n s i n g t h i st h e s i si n c l u d e st h ef o l l o w i n gw o r ka n di n n o v a t i o n s ： ( 1 ) t h es e n s i n gp r i n c i p l eo fb r i l l o u i n gs c a t t e r i n gi sa n a l y z e di nd e t a i l ，i n c l u d i n g t h er e l a t i o no fb r i l l o u i nf r e q u e n c ys h i f ta n dp o w e rv e r s u st e m p e r a t u r ea n ds t r e s s t h e p r a c t i c a ls e n s i n gf u n c t i o n sa r eo b t a i n e d ( 2 ) t h ep r i n c i p l eo fm a c h - z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e ra san a r r o w - b a n do p t i c a lf i l t e r a n df r e q u e n c yd i s t i n c t i o ni si n v e s t i g a t e dt h e o r e t i c a l l y t h ef r e es p e c t r a lr a n g e ( f s r ) o f t h ei n t e r f e r o m e t e ri sa st w ot i m e sw i d ea st h eb r i l l o u i nf r e q u e n c ys h i f tf o rd i r e c t d e t e c t i o no fb r i l l o u i ns e n s i n g ( 3 ) t h ef r e q u e n c ys h i f tc h a r a c t e r i s t i c so fl i n b 0 3w a v e g u i d ee l e c t r o - o p t i ci n t e n s i t y m o d u l a t o ra r es t u d i e dt h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y t h ei n t e n s i t yo ft h eo u t p u t o p t i c a ls i d e b a n do fe o i mc h a n g e sd i f f e r e n t l yv e r s u st h ed cb i a sv o l t a g ed u et o d i f f e r e n tt e s t a p p r o a c h f o rl o wf r e q u e n c y ( l ( h z ) a n dh i g h f r e q u e n c y ( g h z ) m o d u l a t i o n i ti sc o n v e n i e n tt oc h a n g et h eo p t i c a li n t e n s i t yo ft h es i d e b a n d sb yt u n i n g t h ed cb i a sv o l t a g ew h i l et h ei n p u to p t i c a li n t e n s i t yi sf i x e d t h er e l a t i o nb e t w e e nt h e m o d u l a t i o nd e p t hca n dt h em i c r o w a v em o d u l a t i o nf r e q u e n c ya n di n t e n s i t yi sa n a l y z e d i nd e t a i la n dv e r i f i e dt ob ec o r r e c tb ye x p e r i m e n t s t h i si so n eo ft h ei n n o v a t i o n si nt h e t h e s i s 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 ( 4 ) t h ee o i mi s u s e di nab o t d rs e n s i n ge x p e r i m e n t a ls y s t e m t h eo p t i c a l c h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e ma r ea n a l y z e da n dm e 醒u r e di nd e t a i l 。码er e l a t i o nb e t w e e n t h eb r i l l o u i ni n t e n s i t ya n ds t r e s si sa c h i e v e dt h r o u g ht h es t r e s se x p e r i m e n t s ( 5 ) t h eb r i l l o u i nf r e q u e n c ys h i f ti sm e a s u r e da n dd e d u c e db yas c a nf p i n t e r f e r o m e t e rw i t h1 5 g h zf r e es p e c t r a lr a n g e an e wd e f i n i t i o no ft h et h r e s h o l do f s 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 gi sp r e s e n t e da c c o r d i n gt ot h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n s ，w h i c hi sa n o t h e ri n n o v m i o ni nt h i st h e s i s k e yw o r d s ：b 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 g ；l i n b 0 3w a v e g u i d e e l e c t r o o p t i ci n t e n s i t ym o d u l a t o r ；h e t e r o d y n ed e t e c t i o n ；t h r e s h o l do fs t i m u l a t e d b r i l l o u i ns c a t t e r i n g ；o p t i c a lf i b e rh y d r o p h o n ea r r a y 第i v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表3 1 实验用e o i m 的技术指标2 8 表3 2 实验用15 g b i t s e o i m 的特性阻抗3 4 表4 1 手动可调谐滤波器的技术指标4 4 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 图目录 图1 1 分布式光纤传感技术的广泛应用2 图1 2 三类光纤传感器( a ) 点式( b ) 准分布式( c ) 分布式3 图1 3 b o t d r 系统结构( a ) 直接检测( b ) 相干检测4 图1 4 b o t d a 系统基本结构框图5 图1 5 b a o 的b o t d a 系统结构框图6 图1 6 p p p b o t d a 原理示意图7 图1 7 单端b o t d a 系统结构框图8 图1 8 8 0 f d a 系统结构框图。8 图2 1 光纤中的背向散射光频谱儿 图2 2 自发布里渊散射增益谱1 2 图2 3 m z 光纤干涉仪的结构示意图18 图2 4 双通m z 干涉仪的结构示意图2 1 图2 5 m z 干涉仪的鉴频原理示意图2 1 图2 6 0 t d r 原理及其典型曲线2 2 图2 7 确定空间分辨率的示意图2 3 图3 1 m z 型铌酸锂波导电光强度调制器的结构2 5 图3 2 e o i m 总的输出光强随直流偏置偏置电压的变化2 9 图3 3 e o i m 未加调制时的输出光谱3 0 图3 4 e o i m 加载1 1 g h z 微波调制的输出光谱3 0 图3 5 高低频调制时输出光中各阶光波强度随直流偏置电压的变化3 1 图3 6 e o i m 的结构示意图3 1 图3 7 m z 结构电光调制器的等效电路图3 2 图3 8 微波源面板显示p - - 2 6 d b m 时c 的实测值与理论值3 5 图3 9 微波源面板显示p = 2 0 d b m 时c 的实测值与理论值3 5 图3 1 0 微波源面板显示p = 2 0 d b m 时c 的实测值与p = 2 2 d b m 时的理论值3 5 图3 1 l 输出光谱中o 到3 阶光强随直流偏置电压的变化3 7 图3 1 2 直流偏置电压为6 5 v 时e o i m 的输出光频谱3 8 图4 1 光相干检测原理的示意图3 9 图4 2 干涉后的瞬时光功率变化4 0 图4 3 外差同步解调接收机示意图4 1 图4 4 外差异步解调接收机示意图4 2 图4 5 传感系统的总体设计框图4 2 第v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图4 6 声光调制器驱动组成框图及输出波形4 3 图4 7 经e d f a 放大后的脉冲光频谱4 4 图4 8 经可调谐滤波器降噪之后的光谱4 4 图4 9 布里渊频移量的测试系统示意图4 5 图4 1 0 布里渊频移测量结果4 6 图4 1 1 受激布里渊散射与自发布里渊散射的对比4 8 图4 1 2 斯托克斯光强与瑞利散射光强相等时的散射光谱4 9 图4 1 3 实际搭建的b o t d r 传感系统4 9 图4 14 b o t d r 的信号光路5 0 图4 1 5 实验用传感光纤的组成5 0 图4 1 6 e d f a l 放大后解复用器直通端的滤波效果( a ) 无信号光( b ) 有信号光5 1 图4 1 7 e d f a 2 放大后经可调谐滤波器前后的信号光谱( a ) 滤波器之前( b ) 滤波器之后 ! ；1 图4 18 b o t d r 的参考光路5 1 图4 1 9 各种光波的频率分布5 2 图4 2 0 b o t d r 系统的信号处理部分5 2 图4 2 1 应力测试装置5 3 图4 2 2 传感光纤中的后向散射光( a ) 散射光谱( b ) 散射光强沿光纤的分布5 3 图4 2 3 施加应力段光纤的散射光功率分布5 4 第页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教 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。 学位论文作者签名：西l 埠 日期：伽8年 月7 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文 档，允许论文被查阅和借阅；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。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 日期：伽g 年i f 月刁日 嗍棚驯月妒 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 光纤水听器以其高灵敏度、宽响应频带、抗电磁干扰、耐恶劣环境、结构灵 巧、易于遥测和构成大规模阵列等特点而广泛应用于大规模岸基警戒系统中。岸 基警戒系统是以海岸为基地，光纤水听器阵列布放在近岸水域或敏感水域，信号 处理系统设在岸上，中间用光缆保证信号传输的一种固定声纳系统。它布放在重 要海滨、港口、深海海底、跨海峡以及其它战略海岸，用作监视和预警i l j 。 光纤水听器岸基警戒系统发展迅速，1 9 9 6 年美国海军研究实验室完成了海上 3 2 基元全光光纤水听器系统的展开与验证试验【2 】。2 0 0 1 年美国海军启动的固定可 分布系统( f d s ) 采用全光湿端光纤水听器系统，信号传感及传输皆基于光纤技术， 在降低代价的同时提高系统可靠性并改善战地指标。2 0 0 2 年美国海军研究实验室 与英国q i n e t i q 公司( 前身为d e r a ) 联合提出光纤光学海底固定阵列( f o b m a ) 系统概 念【3 】，初步目标是完成9 6 基元基于时分及密集波分复用( t d m d w d m ) 和光纤放大器 ( e d f a ) 的全光光纤水听器系统，从而验证更大规模( ，- - 5 0 0 基元) 光纤水听器阵列的 可行性。近年来反恐工作的需要和大规模水听器阵列技术的成熟，光纤水听器逐 渐发展成为水、陆一体化的监控系统，为港口、舰艇、岸边的工业基地等重要部 门提供一体化的监测网，用来防范可能的水上陆上袭击。2 0 0 4 - - - 2 0 0 6 年英国 q i n e t i q 公司在海底布放水听器阵列和在陆地埋设光缆和光纤加速度计，光纤水听 器系统最大复用能力可扩展到1 0 0 0 基元，实现了海陆一体化的立体监测系统【4 儿引。 由远距离传输光缆和大规模光纤水听器阵列构成的岸基警戒系统在实际使用中容 易受到海底地质、污泥、微生物、附着生物、鲨鱼、海水流动、海浪等的影响和 侵袭，更多的是渔船、钩锚等的人为损害；另一方面，传输光缆和光纤水听器阵 列探测缆在布放和回收中需要准确监测光缆的应力状态，因此远距离大规模光纤 水听器阵列迫切需要一种精确的故障预警或探测技术，在光缆或水听器阵列的布 放、回收以及日常维护中准确监测缆的应力状态，在危险情况发生之前预警，避 免断缆的发生。 无论海底传输光缆还是光纤水听器阵列探测光缆都是以光纤作为信息传输的 媒质，是以海洋为工作环境，进行长距离的信号传输。对光缆的应力状态检测， 传统的电类或机械类传感器由于在海水中工作安全可靠性的降低等原因而不适合 使用，分布式光纤传感器以光纤本身作为传感媒质，并可以在沿光纤路径上同时 探测到被测量温度或应力在时间和空间上信息的连续分布，无需构成回路，光纤 的低损耗、低成本可以实现长距离传感，无疑成为光缆状态监测的最佳选择。除 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 此之外，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 现对监测对象的伞方位检测，克服传统点式检测漏检的弊端，提高检测的成功率。 由于分布式光纤传感器的特点，它在城市基础设施、大型建筑物的结构健康监控、 火灾及山体滑坡预警以及b 机、轮船等的损伤监测等方面也具有其它传感技术无 法比拟的应用前景，如图1 1 所示嘲。 削11 分布式光纤传感技术的广泛应用 1 2 光纤传感技术 与传统的电类和机械类传感技术相比，光纤传感技术由于其本身的特点在很 多应用领域具有无可比拟的优势，如在某些特殊工业环境( 如易燃、易爆、有毒、 高电压、大电流、强磁场下扰等) 中对温度等参数的测量。而光纤不仪是频带宽、 损耗低的信号传输通道，而且其本身对很多物理量( 如温度、压力庶变、位移、 速度等) 敏感，可以用来实现这些物理量的传感，并经过一定的技术手段转换成 为一些不敏感物理量( 如湿度、化学成分等) 的探测元件，此外因光纤本身的电 绝缘、耐腐蚀性和几何易变件等优点，光纤传感技术成为在强电磁干扰等恶劣环 境下测量温度等参数的有效手段。 光纤传感器按丁= 作方式可分为点式、准分布式、分布式三类p 】。点式只能测量 和记录传感点处的信息，其余的光纤作为信号传输介质，如图12 ( a ) 所示为单 光纤光栅传感器。典型的准分布式光纤传感系统的结构框图如图12 ( b ) 所示， 将呈一定空间分布的相同调制类型的光纤传感器耦合到一根或多根光纤总线l ， 通过寻址、解调，检测出被测量的大小及空间分布，光纤总线仅起传光作用，一 般包括光纤传感器阵列和多个复用光纤传感器等，这类传感器性价比不高。随着 光纤传感技术的发展，点式传感器和准分布式光纤传感器的局限性在很多实际应 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 用中显得越来越突出。分布式光纤传感器是可沿空间位置连续给出某一参量测量 值的传感器，如图1 2 ( c ) 所示，整个光纤既是传输介质，又是传感元件，可以 实现几十甚至上百公里范围的连续测量，该类光纤传感器是目前国内外研究的重 要方向。 单传感单元 ( 8 )( b ) 图1 2 三类光纤传感器( a ) 点式( b ) 准分布式( c ) 分布式 1 3 分布式光纤传感技术 2 0 世纪7 0 年代末，随着光时域反射( o t d r ) 技术的出现，发展了分布式光 纤传感技术，和准分布式光纤传感技术相比，分布式光纤传感技术具有传感光纤 区域内同时获取随时间和空间变化连续分布信息的能力，其基本特征表现为： ( 1 ) 分布式光纤传感系统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，将光纤铺设 成网状，就可测定被测量的二维或三维分布情况； ( 3 ) 系统的空间分辨率一般在米的量级，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率一般存在相互制约关系； ( 5 ) 检测信号一般较微弱，因而要求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。 分布式光纤传感技术不仅可实现大范围连续场实时检测和监控，而且使单位 信息的获取成本大大降低，大大提高了性价比，这使得光纤传感器技术在国民经 济、国防建设、空间技术及科学研究中发挥越来越重大的作用。研究和开发分布 式光纤传感器，不仅有学术价值，而且具有广阔的市场应用前景。在其二十多年 的研究中，产生了一系列传感机理和测量系统，其研究工作主要在以下四个方面 开展：( 1 ) 基于后向瑞利散射的分布式光纤传感技术；( 2 ) 基于拉曼散射的分 布式光纤传感技术；( 3 ) 基于前向传输模耦合的分布式光纤传感技术；( 4 ) 基 于布里渊散射的分布式光纤传感技术。其中基于瑞利散射和拉曼散射的研究已经 趋于成熟，并已实现实用化。基于布里渊散射的分布式光纤传感技术的研究起步 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 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 率等方面的优势，目前这种传感技术得到了广泛的关注并进行了大量的研究工作。 1 4 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式光纤传感技术的研究，主要集中在以下三个方 面：1 ) 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；2 ) 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；3 ) 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 4 1 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 在b o t d r 中，泵浦光脉冲在光纤的一端进入光纤，并在同一端检测后向散射 的自发布里渊散射信号，从检测到的布里渊光信号得到温度或应变等信息，检测 方法般有直接检测和相干检测。 直接检测采用高精度的光学滤波器，如光纤光栅、f p 干涉仪、马赫泽德干 涉仪等【8 】 9 】【l o 】，对从传感光纤出来的散射光进行滤波，提取有用的自发布里渊散射 光，从中得到应变或温度分布信息，如图1 3 ( a ) 所示。直接检测时，由于从传 感光纤返回的布里渊散射信号非常微弱( 比瑞利散射约小两个数量级) ，干涉仪 工作不稳定，传感精度不高，因此一般采用相干检测的方式进行检测，其典型方 案如图1 3 ( b ) 所示。 激光光源1 激光光源2 脉冲光 传感光纤 l m 驾” 人瓒利和布里渊教射光 匝蛰 图1 3 b o t d r 系统结构( a ) 直接检测( b ) 相干检测 光相干检测的关键是如何产生两束相干激光，1 9 9 2 年k u r a s h i m a 掣1 1 j 采用两 个单频掺钕( n d ：y a g ) 激光器作为脉冲光和本地光进行传感，实验测量11 5 7 k m 长度的光纤，得到空间分辨率1 0 0 m ，温度应变测量精度达到0 34 c 6 x1 0 。 这种方法实现起来简单，但是对光源的稳定性要求较高。同年n t t 的s h i m i z u 等 1 1 2 1 提出采用声光调制器( a o m ) 构成移频环路，由同一激光器移频获得脉冲光和 本地连续光，并用该方案测量温度和应变，空间分辨率为l m ，应变分辨率2 6 0 艘。 目前n t t 公司最新研制开发的a q 8 6 0 3 型b o t d r 光纤应变分析仪测量范围可达 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 8 0 k i n ，应变测量精度可达3 0 肛【l 引。 利用光纤中的布里渊增益构成光纤布里渊激光器也是产生本地光的一种有效 途径。2 0 0 0 年英国k e n t 大学【1 4 】提出采用布里渊光纤激光器实现自发布里渊散射外 差检测的简单结构，成功实现了2 0 k i n 传感光纤上的温度测量，空间分辨率为7 m 。 国内浙江大学宋牟平等【l5 】用微波电光调制器产生本地频移光，取得了较好的 效果，该传感系统达到了2 5 k i n 传感光纤上3 c 的温度传感精度、1 0 0 馏的应变传 感精度、1 0 m 的空间分辨率。 另外，近年来，随着高灵敏度宽带( 2 0 g h z ) 光接收机的实现，布里渊散射光 与泵浦光直接拍频的微波外差检测也已实现，由于不使用移频技术，系统的频率 稳定性更好【l 引。 b o t d r 利用光纤中的自发布里渊散射信号作为有用信号，来实现应变和温度 的分布式测量，因此只需单端测量，实际使用时较为方便，特别是对某些只能在 测试光纤一端操作的应用场合。系统可以仅采用单个激光器工作，可采用多种方 案实现频移和相干检测，但是其有用信号非常微弱，需要复杂的微弱信号处理技 术，这不仅增加了信号检测和处理的难度和复杂性，影响测量的精度，也使整个 系统费用增加。 1 4 2 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 b o t d a 技术最初是由h o r i g u c h i 等于1 9 8 9 年作为光纤的无损探测方法提出 的，其基本结构框图如图1 4 所示。在b o t d a 系统中，脉冲光和连续光分别从光 纤的两端输入光纤，当两者的频差落在布里渊增益谱范围内时，两光束会通过受 激布里渊散射效应发生能量传递，通过测量受激布里渊散射信号来获取信息。 测试光纤 图1 4 b o t d a 系统基本结构框图 b o t d a 有两种实现方式，一种是增益型，另一种是损耗型。当泵浦光的频率 比探测光的频率大布里渊频移量时，泵浦光能量向探测光转移，为布里渊增益 型，泵浦光不断减少，这种方式难以实现长距离传感。当泵浦光的频率比探测光 的频率小时，探测光能量向泵浦光转移，探测光功率不断减少，为布里渊损耗 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 型。 加拿大b a ox i a o y i 等【1 8 】首次提出利用布里渊损耗型b o t d a 实现长距离分布 式传感，具体系统框图如图1 5 所示，采用两个有一定频差的可调谐1 3 1 m 掺钕 ( d d ：y a g ) 激光器作光源，分别提供泵浦光和探测光，泵浦光由电光调制器( e o m ) 控制产生脉冲，当两束光的频率差处于相遇光纤区域中的布里渊增益带宽内时， 两束光就会在作用点产生受激布里渊散射，相互间发生能量转移。与此同时利用 耦合器将两个激光器输出的一部分混合起来，采用微波频谱分析仪测量其合成拍 频，即可获得发生布里渊能量转移时的激光器频差，利用此频率差即可推算出传 感光纤所在位置处的温度或应变信息。 n 丽瑗硼 可调谐激 光器1 微处理器 可调谐激 光器2 藕合器僖黼器 探涎器h 频谱分析仅 传 感 光 纤 图1 5 b a o 的b o t d a 系统结构框图 经过1 0 多年的发展，b a o 等在该领域取得了一系列的成果【1 9 1 2 0 】【2 1 】，其研制的 系统已成功应用于户外环境下的钢管拉压应力检测和混凝土大坝监测，可以探测 到破损区域上厘米量级的裂纹，与加拿大o z 光学公司合作的产品光纤分布式应 变与温度传感器，可以多通道快速监测4 0 k m 长度光纤上的温度和应变，空间分辨 率可达1 0 c m ，应变精度可达2 胆，温度精度达到0 1 ，是目前性能最高的分布 式传感器产品暇j 。 b o t d a 系统基于受激布里渊散射，较容易实现长距离传感的要求，是目前布 里渊分布式传感研究的重点。基于时域分析的传感系统空间分辨率决定于注入光 脉冲宽度。通过减小泵浦光脉冲宽度，可获得较好的空间分辨率，但是，当脉冲 光宽度小于声子寿命10 n s 时会导致布里渊增益的减弱、测量精度降低、传感长度 受限和频谱形态的劣化，这就决定了传统的b o t d a 系统空间分辨率极限为l m 。 当前的研究主要集中在如何突破l m 的空间分辨率，2 0 0 1 年，日本k h o t a t e 等【2 3 j 人提出了一种新颖的基于相关连续波的b o t d a 技术，由同一只连续d f b l d 的输出光经过不同的电光调制得到相关连续的泵浦光和探测光，利用相关峰的移 动实现分布式传感，空间分辨率决定于相关峰的锐度。该方法改善了传统b o t d a 方法的测量精度，获得了l c m 的空间分辨率和3 8 肛精度的动态应变测量，另外 泵浦的连续波特性使得实时的动态应力追踪成为可能，但该技术的测量范围受限， 第6 页 蔫 煎亟 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 并且分辨率越高，相应的测量范围越小。加拿大a n t h o nw b r o w n 等【2 4 j 提出一种基 于暗脉冲泵浦的b o t d a 方法，该方法可以在不降低系统信噪比的情况下获得较 高的空间分辨率，与传统b o t d a 的实验比较显示了较好的传感性能，可以获得 2 0 m m 的空间分辨率，但是其进一步应用还受到限制。 日本光纳株式会社与加拿大渥太华大学b a o 合作，在2 0 0 4 年开发了脉冲预泵 浦布里渊时域分析技术p p p b o t d a ( p u l s e p r e p u m pb r i l l o u i no p t i c a lt i m ed o m a i n a n a l y s i s ) ，如图1 6 所示。脉冲光作为泵浦光，对传感光纤中的某个位置，光源 出来的预泵浦脉冲光p l 在互时刻到达传感点，并激发产生声波，当时刻测量脉 冲光p d 到达时，该区域已经处于受激状态，从而弥补了当脉冲宽度太窄时难以激 发声波的缺陷。在该系统里，只要预泵浦脉冲光p l 光强足够大，即使l n s 的测量 脉冲光p d ，也能够在布里渊增益频谱中体现该处的应变( 温度) 信息，从而实现 短脉冲宽度和高空间分辨率的测量。目前已有产品一一光纳仪 n e u b r e s c o p e n b x 6 0 0 0 ，能实现1 0 e r a 的空间分辨率和o 0 0 2 5 的应变测量精 度2 5 1 。 堆吃 图1 6 p p p b o t d a 原理示意图 以上所提到的b o t d a 系统都是采用两个光源来产生泵浦光和探测光的，并 且泵浦光和探测光需从传感光纤的两端入射，增加了系统的复杂性，尤其在一些 需要单端测量的场合，而且激光器的频率漂移将对系统性能产生影响，b o t d r 系 统提到的频移技术也可以用在b o t d a 系统中。瑞士o m n i e n s e 公司的m a r cn i k l e s 等【2 6 】于1 9 9 6 年提出一种单端b o t d a 系统，如图1 7 所示，该系统采用同一个 m a c h z e h n d e r 型的电光强度调制器( e o i m ) 对单一光源进行调制，一方面产生脉 冲调制的泵浦光，另一方面产生探测光并对其进行频率调制，泵浦光和探测光都 从被测光纤的同一端入射，在探测光经光纤末端反射返回的途中与脉冲光发生受 激布里渊放大。因为使用单光源和同一个调制器，系统具有极好的稳定性。 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕+ 学位论文 泵浦光源卜i 电光调制器 羚 z 一 爹垒掌l l u 墨翌枣面 户磊卜赢擀芦夕 堂壅鎏塑i 羁赢li + r 百翮 图1 7 单端b o t d a 系统结构框图 该方案实现了2 0 k i n 传感距离上l m 空间分辨率的测量，温度分辨率为1 ， 应变分辨率为2 0 肛，实现了一个混凝土大坝上的温度传感。2 0 0 2 年与o m n i s e n s 公司合作开发分布式温度和应变测量产品嘞n i s c n sd i t e s t 分析仪，目前该公 司的d i t e s t s t a 系列可以应用于结构监测、渗漏探测、交通运输、安全系统、光 纤通信、环境测量，其传感距离达3 0 k m ，应变精度2 0 占，温度精度为1 c 【z 。 同样是单光源单端入射英国v l e e o e u e h e 等人应用布里渊光纤激光器和布里 渊放大器也实现了单端的b o t d a ，利用该系统可以实现2 5 k i n 光纤上任意2 m 的 温度或应变异常探测，但系统结构及信号调制解调复杂【2 引。 与传统b o t d a 需要两台激光器在被测光纤两端同时进行测量相比，单端 b o t d a 只需一台光源，因而系统的结构简单，频率稳定性较高，传感距离长，还 可以测断点；但系统信号的调制解调复杂，测量精度不高，在某些应用场合不得 不以牺牲空间分辨率或测量时间来获得高的测量精度。 1 4 3 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 b o f d a 由德国的d g a m s 等 2 9 1 于1 9 9 7 年提出，基于光纤中的布里渊散射现 象和o f d r 技术，通过两个激光器的频率差和探测光的幅度调制频率来确定温度 和应变的大小，不同的是其空间定位是通过频域分析的方法来进行，其系统结构 框图如图1 8 所示。 登光i ，( l 探舅。 堕心r 圜应 i - ( l ) i 广 j l p ( ui 圆圆中丘 图18 b o f d a 系缔结核l 榧图 第8 页 尝燕一 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 理论上b o f d a 具有较高的空间分辨率，并且它不需要高速的采样和数据采集 技术，可以降低系统成本，其低噪声特性使得它非常适合于短程传感。但在实际 测量中由于o f d r 中存在光源的相干性将使系统接收到的频谱被调制，引起散射 信号的空间变化产生畸变，同时由于传感距离有限，要求测量时间较长，因此仅 适合于测量某些传感量变化不大的场合。目前意大利的r b e r n i n i 等【3 0 】人正致力 于b o f d a 的实验室研究，取得了一定的进展。但该类传感技术目前还停留在理论 的深入研究和实验系统的研制上，还没有实用化仪器的研究报道。 1 4 4 国内研究现状及发展趋势 国内许多研究机构也在致力于发展基于布里渊散射的分布式传感。其中南京 大学 3 z 3 2 j 在9 8 5 工程项目的支持下，建成了我国第一个针对大型基础工程的 b o t d r 分布式光纤应变监测实验室，从日本引进了相关的b o t d r 监测仪器和设 备，成功地将这一技术应用到部分大型基础工程设施，并逐步把这一技术向滑坡 预警等新的领域拓展。燕山大学、华北电力大学【3 3 】等重点研究了采用全光纤m z 干涉滤波器实现信号直接检测的b o t d r 。浙江大学宋牟平等【3 4 】人以“8 6 3 项目 为依托发展了基于微波电光调制的相干外差b o t d r 系统，实现了2 5 k i n 光纤的分 布式温度和应变传感，达到了3 。c 的温度分辨率、1 0 0 肛的应变分辨率和1 0 m 的 空间分辨率，另外该课题组对b o t d a 也有一定研究。国内对b o f d a 的研究较少。 总体上，目前的研究主要集中在通过改善系统结构及信号处理能力来提高温 度应变的测量精度及空间分辨率、增加传感长度、缩短信号采集时间实现动态测 量等，同时不断发现新的传感机理，各种技术也逐渐走出实验室，实现产品化。 现有的传感系统主要集中在温度和应变的测量上，同时测量其他信息也是一个重 要的发展方向。另外，现在对于布里渊散射的分布式光纤传感器的研究主要集中 在基于单根光纤并只是在光纤轴向上探测信息的一维的传感器，少数研究机构通 过把光纤铺设成网状实现了二维的温度或应变分布传感，随着探测范围和信息量 的增大以及布里渊散射分布式光纤传感技术的不断成熟，检测精度的不断提高， 利用布里渊散射信息将能够在三维上检测光纤沿线的各种信息分布，并可将该技 术成功应用于智能网