（物理电子学专业论文）基于dsp处理的布里渊dofs数据处理系统的研制.pdf

浙江大学硕士论文 摘要 本论文分析了布里渊散射分布式光纤传感器的传感和信号检测原理， 设计并实现了布里 渊散射光纤传感系统的信号处理系统， 并得到较好的试验结果 本论文是国家8 6 3 项目“ 长 距离海底管道分布式光纤传感技术” 和省自 然科学基金“ 基于d s p 和微波e o m的布里渊散 射分布式光纤传感技术的研究”工作的一部分 论文在介绍分布式光纤传感器的特点及传感原理的基础上， 通过分析光纤布里渊后向散 射信号的 特点和提高 检测性能的技术， 提出基于h i l b e rt 变换的d s p 信号处理方案， 实现了 基于d s p的布里渊分布式光纤传感系统的数据处理系统。具体研制了数据处理系统的硬件 电路和相应的软件。 硬件电路由一块四层电子线路板构成， 主要由高速a d采样芯片、 f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l e g a t e a r r a y ， 现场可 编程门 阵 列) 芯片、 高 速同 步r a m芯片 和u s b 2 .0 协议控制芯片等组成:软件部分包括基于f p g a的各功能模块:高速a d采集、d s p 处理、 数字叠加、 高速存储、 数据传送、 计算机接口等 以及对采集数据进行相应处理的传感信号 处理软件。 对于系统设计和具体实现过程中的关键技术进行了详细说明， 并论述了实际应用 中各种可能出 现的问题和有效解决方法 通过反复测试与调整， 实现了数据处理系统的各项 基本功能，并进行了实际传感信号的测试实验 关键词:光纤传感器，布里渊散射，h i l b e rt变换，相干检测 浙江大学硕士论文 abs tract t h i s d i s s e r t a t i o n i s f o c u s o n t h e d e s i g n a n d re a l i z a t i o n o f s i g n a l d e t e c t i o n a n d p ro c e s s i n g s u b s y s t e m o f t h e b r i l l o u i n s c a tt e r i n g d i s t r i b u t e d s e n s i n g s y s t e m . w e a l s o g a v e t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s o f t h e d i s t r i b u t e d fi b e r - o p t i c a l s e n s o r b a s e d o n b ri l l o u i n s c a tt e ri n g . t h i s w o r k i s s u p p o r t e d b y t h e n a t i o n a l h i 动 t e c h n o l o g y r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t p r o g r a m o f c h in a a n d n a t u r e s c i e n c e f u n d o f z h e j i a n g p r o v i n c e c h i n a . t h r o u g h a n a l y z i n g t h e m e t h o d s o f d i s t r i b u t e d fi b e r - o p t i c a l s e n s o r , w e p ro p o s e d t h e b ri l l o u i n s c a t t e r i n g d i s t r i b u t e d s e n s i n g s y s t e m b a s e d o n c o h e r e n t d e t e c t i o n a s a f i n i a l s c h e m e . a s i g n a l d e t e c t i o n a n d p r o c e s s i n g s u b s y s t e m b a s e d o n h i l b e r t t r a n s f o r m h a s a l s o b e e n p r o p o s e d a n d r e a l i z e d b a s e d o n t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f b r i l l o u i n s c a tt e r i n g s i g n a l s . t h i s s i g n a l d e t e c t i o n a n d p r o c e s s i n g s u b s y s t e m i s c o m p o s e d o f h a r d w a re c i r c u i t s a n d s o ft w a r e . a f o u r - l a y e r p r i n t e d c i r c u i t b o a r d h a s b e e n d e s i g n e d t o r e a l i z e h a r d w a re c i r c u i t s . i n h a r d w a r e c i r c u i t s , w e u s e d a h i g h - s p e e d a d c o n v e r te r , a f p g a ( f i e l d p ro g r a m m a b l e g a t e a r r a y ) , a h i g h - s p e e d s r a m a n d a u s b p r o t o c o l c o n t ro l l e r . w e d e s i g n e d p r o p e r s o ft w a r e f o r a l l t h e m o d u l e s o f f p g a a n d s u c c e s s f u l ly r e a l i z e d h i g h - s p e e d s a m p l i n g , d i g i t a l s i gna l p r o c e s s i n g b a s e d o n h i l b e r t t r a n s f o r m , d i g i t a l a c c u m u l a t i o n , r a m c o n t r o l i n t e r f a c e , d a t a t r a n s m i s s i o n a n d a n i n t e r f a c e t o p c . t h e s o ft w a r e i s a l s o d e s i g n e d t o w o r k w i t h s i g n a l d e t e c t i o n a n d p r o c e s s i n g s u b s y s t e m a n d g a t h e r t h e t e m p e r a t u r e o r s t r e s s i n f o r m a t io n a l o n g t h e fi b e r . t h e p r i n c ip l e s a n d t h e i d e a s o f t h e a b o v e - m e n t i o n e d s y s t e m , a n d t h e k e y p o i n t s o f t h e re a l iz a t i o n p ro c e s s o f t h e b lu e p r i n t a re d i s c u s s e d i n d e t a i l . a ft e r t e s t i n g a n d a d j u s t i n g t h e s y s t e m , * f in a l l y r e a l i z e d a l l t h e f u n c t i o n s o f s i g n a l d e t e c t i o n a n d p r o c e s s i n g s u b s y s t e m a n d e x p e r i m e n t s h a v e b e e n p e r f o r m e d in r e a l e n v i r o n m e n t k e y w o r d s : o p t ic a l fi b e r s e n s o r , b r i l l o u i n s c a tt e r in g , h i l b e r t t r a n s f o r m , c o h e r e n t d e t e c t 浙江大学硕士论文 第一章 绪论 1 . 1光纤传感技术的原理和特点 光纤传感技术是2 0 世纪7 0 年代伴随光纤通信技术和半导体技术的进步而高速发展起来 的，以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术，是光传感、 光通讯、电子技术互相交叉、 互相渗透的高科技技术。 光波在光纤中传播时， 表征光波的特 征参量 ( 如振幅、 相位、偏振态、波长等)闪外界因素 ( 如温度、 压力、 磁场、电场、位移 和转动等) 的作用而间接或直接地发生变化， 从而可将光纤用作传感元件来探测各种物理量。 这就是光纤传感技术的基本原理。 光纤传感器可以分为传感型与传光型两大类 如上所述， 利用外界物理因素改变光纤中 光的强度 ( 振幅) 、相位、偏振态或波长 ( 频率) ，从而对外界因素进行计量和数据传输的， 称为传感型 ( 或功能型) 光纤传感器。 它具有传感合一的特点， 信息的获取和传输都在光纤 之中。 传光型光纤传感器是指利用其他敏感元件测得的物理量，由光纤进行数据传输。 它的 特点是充分利用现有的传感器， 便于推广应用。 从应用领域和发展趋势来看， 传感型光纤传 感器由 于充分利用了 光纤的 特性因而具有更广阔的发展前景。 本文所涉及的布里渊分布式光 纤传感器就是一种传感型光纤传感器 作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤， 具有一系列独特的、 其他载体 和媒质难以相比的优点: . 光波不产生电磁干扰， 也不受电磁干扰影响. 易为各种光电探测器件接收， 可方便 的进行光电或电光转化，易与高度发展的现代电子装置和计算机相匹配。 . 光纤工作频带宽，动态范围大， 适合于遥测 遥控，是一种 优良 的低损耗传输线。 . 在一定条件下， 光纤特别容易接收被测量场的加载， 是一种优良的敏感元件， 灵敏 度高。 . 光纤本身不带电， 体积小， 质量轻. 易弯曲， 耐腐蚀， 抗电磁千扰、 抗辐射性能好， 在各种大型 机电、 石油化工、 冶金高压等环境中能方 便而有效地传感， 特别适合于 易燃、易爆、强腐蚀、空间受严格限制以及强电 磁干扰等恶劣环境下使用 . 光纤受多种外界因素的 影响， 测量对象很广泛。 目 前己 有性能不同 的测量温度、 压 力、位移、速度、加速度、液面、流量、振动、水声、电流、电场、磁场、电 压、 杂质含量、 液体浓度、 核辐射等各种物理量化学量的光纤传感器在现场使用。 .光纤对被测介质影响小，这对于医药生物领域的应用极为有利。 . 光纤便于复用。 便于成网 有利于与现有光通信技术组成遥测网 和光纤 观感网络。 因此， 光纤传感技术一问世就受到极大重视， 光纤传感器的研究开发与应用在许多国家 浙江大学硕士论文 特别活跃， 一些发达国家更是投入了大量的人力、 物力资源进行研究。 各种光纤传感器已实 用化，开始进入航空航天、生物医学、军事装备、工业、交通运输及日常生活的各个领域。 妇.2分布式光纤 传感技术的 特点 1 z ) 分布式光纤传感技术是在7 0 年代末提出的，它是随着现在光纤工程中仍应用十分广泛 的光时域反射 ( o t d r ) 技术的出现而发展起来的. 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极其引人注目 的一项新技术。 分布式 光纤传感技术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， 可以 在沿光纤分布的路径上同时得到被测量的时间 和空间分布信息， 一举解决了 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， 显示出十分经济和现实的应用前景。 从第一 个分布式光纤传感器原理方案问世以 来的短短十几年里， 各种原理的新型分布式光纤传感器 相继问世， 并且可以 预计将有更多、 性能更优异的分布式光纤传感器走出实验室进入各个应 用领域。 分布式光纤传感技术具有同时获取在传感光纤区域内随时间和空间变化的被测量分布 信息的能力，其基本特征为: .分布式光纤传感系统中的传感元件仅为光纤。 .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。 .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。 .系统的测量精度与空间分辨力一般存在相互制约关系 . 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 .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。 与传统传感系统相比， 分布式光纤传感系统具有无可比拟的优点。 表1 - 1 比较了分布式 光纤传感系统与传统传感系统的性能: 比较内容 分布式光纤传感系统 传统传感系统 传感器分布特性 检测点连续，可以全面检测被监视对 象的各点的情况。检测范围大 检测点间断， 只有检侧探头接触的点， 才能被检测。检测范围小。 探头 光纤， 不怕干扰，不怕高压，没有击 穿、 烧毁等担心. 电子传感器，有电路通道，极易受电 磁干扰，对与高压设备的绝缘要求特 别高。检修维护很难 检测信号输出 光信号， 不受电力设备的电 磁干扰 弱电信号，极易受到电磁干扰。 浙江大学硕士论文 信号通道 信号处理技术 光纤，探头与信号通道 一 体，不怕干 扰，不怕高压，系统简单安全 检测:光电技术 传输光信号 处理:高速数字技术 系统可靠性高，取决与主机 电 路，对与 高压设备的绝缘要求特别 高。 检修维 护很难 检侧:模拟电 子 传输:弱电信号 处理:数字技术 低，受探头、 信号传输通道、主机等 全部设备影响。 其他特点 不带电，抗射频和电磁干扰、防燃、 防爆、 抗腐蚀、耐高压和强电 磁场、 匕 一 耐 辐 射 ， 能 在 各 种 有 害 的 环 境 中 工 作 。 表 1 - 1 :分布式光纤传感系统与 传统传感系统的性能比 较 由表中内容可以看出， 分布式光纤传感器不仅仅具有普通光纤传感器的各种的优点， 而 且能获得多种被测对象比较完整的空间分布信息，这是分布式光纤传感器最大的特点和优 点， 但是也由于传感信号比较微弱， 为具体系统的实现引入了一些新问题， 下面在介绍各种 不同的分布式光纤传感系统的过程中再来说明这个问题 1 . 3分布式光纤传感技术的原理13 1 4 ) 5 ) 6 1 7 ) 为获得测量对象比较完整的空间分布信息， 需要实现分布调制。 所谓分布调制， 就是指 外界信号场 ( 被测场) 以一定的空间分布方式对光纤中的光波进行调制， 在一定的测量域中 形成调制信号谱带， 通过检测 ( 解调) 调制信号谱带即可测量出外界信号场的大小及空间分 布。 分布调制分为本征型和非本征型两类。 非本征型分布又称准分布式， 实际上是多个分立 式光纤传感器的复用技术。本文所涉及的分布式光纤传感系统都是本征型的光纤传感系统， 所有敏感点均分布于一根传感光纤上. 目 前发展比 较快的分布式光纤传感系统有两种， 一种 基于o t d r 技术，检测光纤的后向散射光，另一种基于泵浦光和探测光相互作用，检测光纤 的前向散射光。 光学时 域反 射技术 o p t i c a l t im e - d o m a i n r e fl e c t o m e t ry) ， 简 称o t d r , 是 检测光 纤后向 散射光的技术基础。 o t d r是一种光纤参数的测量技术， 其基本原理是利用分析光纤中后向 散射光或前向散射光的方法测量因散射、 吸收等原因产生的光纤传输损耗和各种结构缺陷引 起的结构性损耗， 通过显示损耗与光纤长度的关系来检测外界信号场分布于传感光纤上的扰 动。基于的o t d r分布式光纤传感系统的典型结构如图1 - 1 所示.脉冲激光器 ( l d )向被 测光纤发射光脉冲， 该光脉冲通过光纤时会产生散射光， 散射光的一部分会向 后传播至光纤 的始端， 经定向福合器送至光电检测系统， 再进行检测及信号处理。 假设光脉冲注入光纤的 瞬间为计时起始点 ( z = 1 ， 处r - - 0 ) ,则在， 时刻于光纤始端接收到的后向散射光即对应于光纤 浙江大学硕士论文 上 的 空 间 位 置z = v ta( 、 为 光 波 群 速 度) ， 因 此 在 光 纤 始 端 就可 以 得到 损 耗与 距离( 光 纤 长 度)的关系曲线，由此判断光纤上不同距离的损耗分布情况。 图 1 - 1 基于o t d r的分布式光纤传感系统示意图 泵浦光和探测光相互作用的分布式传感系统需要两个光源:泵浦光光源和探测光光源， 分别位于光纤的两端。 泵浦光和探测光在光纤中传播方向相反， 并且互相作用， 使得探测光 的性质发生改变。 这种相互作用的程度受光纤性能参数的影响， 而周围的环境变化 ( 比如温 度、 应变等) 会影响光纤性能参数， 从而可以间接的对探测光起到调制作用。 这样， 通过检 测探测光的变化，就可以获得传感场的信息。与 o t d r技术类似， 通过分析探测光到达光 电检测与信号处理系统的时间，就可以确定传感量的位置信息。 图1 - 2 泵浦光 和检 侧光 相互作用的 分布式 光纤传感系 统示意图 无论是基于 o t d r技术.还是基于泵浦光和探测光相互作用，分布式光纤传感技术的 机理都和光纤中的非线性效应有关。 在高强度电 磁场中任何电介质对光的影响都会变成非线 性， 光纤也不例外。 从其基能级看， 介质非线性响应的起因与施加到它上面的场影响下束缚 电子的非谐振运动有关， 结果导致电偶极子的极化强度尸对于电 场e也是非线性的。二阶 非线性效应起因于光场把部分能量传递给介质的受激非弹性散射。 光纤中有两个重要的非线 性效应属于受激非弹性散射， 它们都和石英的振动激发态有关。 这就是受激喇曼散射和受激 布里渊散射。 依据散射光信号的性质，分布式光纤传感技术可分为3 类:1 . 利用后向瑞利散射的传感 技术;2 利用喇曼效应的传感技术:3 . 利用布里渊效应的传感技术。下面我们就重点来介绍 这几种传感技术。 基于后向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 于该技术难以克服测量精度低、 传感距离短的缺陷，目前在这方面 的研究己鲜有报道。 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 型和偏振态调制型。 基于喇曼散射的分布式温度传感技术是分布式光纤传感技术中最为成熟 的一项技术。 与传统方法相比， 提高了系统的相对灵敏度和系统的测温精度， 扩展了系统的 功能，降低了系统的成本。 喇曼分布式光纤传感器的唯一不足之处是返回信号相当弱，因为 反s t o k e s 喇曼散射比瑞利散射强度要弱2 0 -3 0 d b 。为了避免信号处理过程中信号平均时间 浙江大学硕士论文 过长， 脉冲激光 源的 峰值功率 相当 高。 对该技 术开展 研究 工作的 有 英国 的k i n g 大学， 中国 的重庆大学和中国计量学院。目前，该类传感器的一些产品己出现在国际、国内市场， 最为 著名的是英国y o r k 公司的d t s 8 0 ，它的空间分辨力和温度分辨力分别能达到 1 m. 1 ,c ,测 量范围为4 - 8 k m, 基于布里m( b r i l l o u i n ) 散射的分布式光纤传感器适合于长距离( 2 0 k m ) 分布式传感， 是目 前各种分布式光纤传感器中最具实际应用前景的一种 布里渊散射是入射光与声波或传播的 压力波相互作用的结果。 这个传播的压力波等效于一个以一定速度 且具有一定频率) 移动 的密度光栅，因此， 布里渊散射可看作是入射光在移动的光栅上的散射，多普勒效应使得散 射光的频率不同于入射光。当某一频率的散射光与入射光、 压力波满足相位匹配条件时， 此 频率的散射光强度为极大值。 而由于散射介质的声波频率与其温度、 应力等因素有关。 因此。 通过检测最强散射光的频率就可以间接地知道散射介质的温度、 应力等情况。 这就是利用布 里渊效应的分布式光纤传感技术的基本原理。 本文所研究的分布式光纤传感系统就是基于布 里渊散射的，在下面的章节将详细介绍。 夸 1 . 4论文的结构以及主要工作 本论文主要就布里渊散射分布式光纤传感系统中光电信号的d s p处理的原理及其软硬 件实现进行研究和具体设计，论文的主要结构如下: 第一章概述光纤传感器及分布式光纤传感器的原理、特点及应用背景。 第二章详细介绍布里渊散射分布式传感系统的原理， 由此给出基于自 发布里渊散射的分 布式传感系统的系统构成，并着重分析了散射信号受相位噪声的影响 第三章详细分析了基于h i l b e rt变换的d s p 处理方法，给出了实现的方案，并对算法进 行了数值模拟。 第四章介绍了基于d s p的数据处理系统的软硬件实现。 第五章介绍了所进行的具体实验，并给出了相应的实验数据。 最后对布里渊散射分布式传感系统设计作一 总结， 并对布里渊散射分布式传感系统所存 在的问题及相应的改进方法作了讨论。 在课题研制中，本人主要承担了以下工作: . 研究、 分析国内 外有关文献和技术资料， 对自 发布里渊散射的原理和作了深入地分 析，推导了相关的理论公式，为d s p 算法的设计提供了理论依据。 . 分析了 布里渊散射信号的特点和相位噪声 对系统性能的影响， 提出 基于h i l b e rt变 换的d s p 处理方法，并通过数值模拟和实验验证了相关的结论。 .设计了基于 d s p的数据处理系统，成功设计并调试了具体硬件电路和部分软件代 码。硬件电路集中在一块四层电路板上，采用a l t e r a公司s t r a t i x 系列的f p g a 浙江大学硕士论文 芯片实现d s p算法，并 且完成了 数据采集和传输等功能。 软件部分主要包括基于 f p g a的各功能模块，对传感信号处理软件也做出了一些改进 .在系统调试和实验过程中，分析了数据处理系统的性能和不足，提出了改进方案， 为下一步的工作打下了基础。 浙江大学硕士论文 第二章 布里渊散射分布式光纤传感器的原 理及相位噪声分析 本论文研究的布里渊散射分布式传感系统采用了布里渊时域反射计法 ( b o t d r ) 技术 本章对布里渊散射分布式传感技术予以介绍， 并在此基础上提出所研制的布里渊散射分布式 传感系统的总体设计方案，最后再进一步分析传感信号的特点。 2 . ，布里渊散射分布式光纤传感器18 1 19 1 11 0 ) 1 1 1 2 . 1 . 1受激布里渊散射的物理过程 布里渊散射过程可经典地描述为泵浦波、 斯托克斯波通过声波进行的非线性互作用， 泵 浦波通过电致伸缩产生声波， 然后引起介质折射率的周期性调制。 泵浦引起的折射率光栅通 过布拉格衍射散射泵浦光，由于多普勒位移与以声速 v a 移动的光栅有关，散射光产生了频 率下移。 同样， 在量子力学中。 这个散射过程可看成是一个泵浦光子的 湮灭， 同 时产生了 - 个斯托克斯光子和一个声频声子。 由于在散射过程中能量和动量必须守恒， 则三个波之间的 频率和波矢有以下关系: 。 ， = “ ， 一 ， : k , = k ， 一 k 9( 2 - 1 ) 式 中 ， 6 7p 和 。 ， 分 别 为 泵 浦 波 和 斯 托 克 斯 波 的 频 率 ， k p 和 k 是 泵 浦 波 和 斯 托 克 斯 波 的 波 矢 ， 声 波 频 率。 a 和 波 矢k a 是 满 足 色 散 关 系 的 声 波 的 频 率 和 波 矢 。 斯托克斯波的频移与散射角有关。 在单模光纤中， 只有前、 后向为相关方向 下，布里渊散射仅发生在后向，且后向布里渊频移为: v , = 0 , / 2 ;c = 2 n v , 1 礼 。通常情况 ( 2 - 2 ) 若 取 、 ， = 5 .9 6 k m / s ， n = 1 .4 5 ， 则 对 于 石 英 光 纤 ， 在 礼= 1 . 5 5 u 。 附 近 ， v ， 二 1 1 g h z 。 互 2 . 1 . 2传感原理 采用窄线宽连续激光对单模光纤进行泵浦时， 布里渊散射是一种主要的非线性效应， 由 浙江大学硕士论文 频移量可以得出应变或温度变化， 根据光功率的变化可以得出该点距探测光远的距离， 从而 得到光纤应变或温度的分布情况。光纤中布里渊散射光的频移和功率是温度和应变的函数。 其中 布 里渊频移 。 b 和 温度 ( t ) 、 应力 ( ) 有如下关系: u b ( e ) = u b ( 0 ) i + q: v . ( t ) = u, ( t , ) 1 + c , ( t 一 t i ) ( 2 - 3 ) 式 中 ， t , 是 参 考 温 度， 乓= 4 . 6 , c : 二 9 .4 x 1 0 - 1 / k分 别 是 应 力 和 温 度 的 比 例 系 数 。 对 于 t = 3 0 0 k , 掬, = c -= 喘 = 光波长工作在a =1 5 5 3 . 8 nn 的普通单模光纤，有 c - b e + ct fi l 0 . 0 4 8 3 士 0 . 0 0 0 4 mh z 今 绍 1 . 1 0士0 . 0 2 mhz / k ( 2 - 4 ) 布里渊散射光功率p b 和温度( t ) , p a = k只_ ， 儿 k , ( 1 + 5 . 7 5 c ) 一 1 应力( ) 有如下关系: at 一 zu b 式中. 几是瑞利散 射系数， 其 他系数都是和应力、 温度无关的因子 对于t = 3 0 0 k , 工作在 x = 1 5 5 3 . 8 n m的普通单模光纤，有 ( 2 - 5 ) 光波长 1 0 0 矶 p b ( 6 1 t ) = c , 6 a + c p t 6 t ( 2 - 6 ) c p s = - 9 .0 x 1 0 - 4 o/ o l p e , c p t = 0 .3 2 % / t 由 式( 2 - 4 ) 和式( 2 - 6 ) 可知， 布里渊散射频移和光功率都是应力和温度的函数， 因此通过检测传 感光纤的布里渊散射频移和光功率，可得沿光纤一维分布的应力或温度。图2 - 1 ( a ) 和2 - 1 ( b ) 分别描述了在两组不同温度和应力的作用下布里渊散射频移的漂移情况。 从图中我们可以清 楚地看到， 这两组温度或应力引起的布里渊散射频移是不同的， 这就验证了通过检测频移可 以同时得到温度或应力的分布. 目 前采用布里渊散射的光纤传感技术主要有两种: 布里渊时域反射计法 ( b o t d r ) 和 布里渊时域分析法 ( b o t d a) 。这两种技术的主要区别是:b o t d a技术利用受激布里渊散 射，需要双端测量，测量精度高:而b o t d r则利用自 发的布里渊散射，只需要单端测量， 实际使用时比较方便。 浙江大学硕士论文 功幼材盯朗“助助u州助 山卫，奋五健三.压 铺的叻公幼舫奴uu创翎 t.片石侣. 伽门. 甲洲 侧 阅. 阳. . 自 叫口侧 脚脚自目 翻 如勿 . .盆 匀 护 七 . 目 tm 翻 为. . . r七翻侧归.一山 目 卜二 叻.时自 目 户. . 匕， 卜加 如 口 . . . 留 . 山脚 目七 卜 幽 . 睡 如. ” . 甲. 翻 i口 ， . . 自 . 州 润 后 协k 翻 . . 白甲 目. 脸习 翻 脚. 日4 1 t 7 0 r . r s 七 丫二 .白曰. .幼 . . 曲 . . . . 自目、目. 助几7 加恤 曰白口 目 翻肠才. 口脚 已场 妞 . 目 已 图2 - 1 布里渊散射频移随温度和应力的漂移 2 . 1 . 3利用受激布里渊散射的b o t d a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， 在明确应变( 温度) 和布里渊频移之间的相互关系后， b o t d a便发展成为一种测量技术。当两束泵浦光在光纤 中反向传播， 并且两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， 这 称之为布里渊受激放大作用。 b o t d a技术的系统原理图如图2 - 2 所示，采用两个光源分别 作为泵浦脉冲光和探测连续光，其信号可以是布里渊增益信号，也可以是布里渊损耗信号。 当光纤的某一部分发生应变或温变时，那里的布里渊频移便发生变化，结果引起这部分 b o t d a信号的急剧衰减。 调谐入射泵浦光和探测光之间的频差使之等于布里渊频移， 便能 接收到该点的布里渊散射信号， 从而得到沿传感光纤的温度或应变分布。 相比之下， 在其它 条件相同时， 布里渊损耗信号能够测量的距离长，因为脉冲光在沿光纤巾传播时被放大， 因 此利用布里渊损耗信号的测量有一定的优越性 s i r g l eo d e f i b e r f i b e r c a g l er 图2 - 2 b o t d a的 系统原理图 浙江大学硕士论文 互 2 . 1 . 4利用自发布里渊散射的b o t d r技术 b o t d r技术使用单个光源产生探测脉冲光，在传感光纤中激发后向布里渊散射。采用 一定的检测方法对后向布里渊散射信号进行分析，便可以得到沿传感光纤的温度或应变分 布。 由于布里渊散射光的频移和功率都会随着温度或应变发生变化， 因此b o t d r的检测方 法可分为两种。一 种是基于功率的 检测方法， 例如光学滤波检测， 它的 检测依据是式( 2 - 6 ) . 采用光学滤波检测的b o t d r系统原理图如图2 - 3 所示， 后向布里渊散射信号由光学滤波器 滤出后直接进行功率检测， 从中得到温度或应力的分布。 另一种是基于频率的检测， 例如光 相 干检测， 它的 检测 依据是式 ( 2 - 4 ) 。 采用光 相干 检测的b o t d r 系 统原 理图 如图2 - 4 所示， 后向布里渊散射信号和本地参考信号一起送入外差接收机进行频率检测， 从中得到温度或应 力的分布。 此外， b o t d r系统通常还要考虑光偏振态对系统性能的影响，例如调制系统要 设计成偏振相关。如果采用了光相干检测方式，那么检测系统还要解决偏振失配的问题 力妞. 功卜 u . 忿 图2 一 采用光学滤波检测的b t t d r系统原理图 hem-甲 h 阮 de t ut e r 图2 - 4 采用光相干检铡的b o t d r 系统原理图 与b o t d a相比， b o t d r系统虽然动态范围有所减小，测量精度有所降低，但系统较 简单， 可以测断点， 并且实现了单端测量， 使它在某些特殊的长距离测量监控场合特别适用 本论文研究的布里渊散射分布式传感系统正是采用了b o t d r技术。 该系统集o t d r技术、 非线性光谱技术、 光纤传感技术、 弱信号检测技术和计算机接口 技术于一体， 主要包括数据 采样处理系统和光路控制系统两个部分。 本论文主要研制其中的数据采样处理系统， 其中涉 及系统的软硬件设计和相应的信号处理。接下来先详细介绍系统的整体方案。 浙江大学硕士论文 2 . 2布里渊散射分布式传感系统总体方案 实际系统总体方案图如图2 - 5 所示。 我们使用频宽小于l mh z 的分布反馈式半导体激光 器 ( d f b - l d ) 作为光 源， 通过光纤祸 合器 ( f ib e r c o u p l e r ) 进行光 功率分配， 一 路光作为 泵浦光用于脉冲强度调制，另一路光作为本地参考光。泵浦光经首先由脉冲调制器 ( p u l s e mo d u l a t o r ) 形成脉宽为2 0 o n s 、 重复频率为2 k h z 的光脉冲。 前置一偏振控制器 ( p c ) 是为 了满足调制器对其输入光偏振态的特殊要求光脉冲经掺饵光纤放大器 ( e d f a)进行光放 大后，由祸合器输入到2 5 1a n的普通单模传感光纤进行传感 返回的散射光 ( 包括布里渊散 射光和瑞利散射光) 和本地参考光一起送入外差接收机进行相干检测， 从而得到原始光电信 号，再经过滤波后采用h i l b e rt变换处理此散射光信号。 ih e te r o d y n e d e te c t in g 图2 - 5 布里渊散射分布式传感系统总体方案图 本地参考光由光源另一路光经微波电光调制器 ( mi c r o w a v e e o m) 调制后产生。由于布 里渊散射光和瑞利散射光之间存在布里渊频移 ( 约为1 1 g h z ) ，并且布里渊频移会随着温度 或应力的变化而漂移，因此我们需要在以 1 1 g h z频率为中心的范围内调节本地参考光的调 制频率，使其与布里渊频移的差值恰好落在中频范围 ( 约为 9 0 mh z )内，满足外差检测的 要求。 外差接收机采用异步解调方式， 其输出的中频信号是一带通的幅度调制信号， 并包含有 半富 的噪声。中频信号经带通滤波和包络检测后， 得到布里渊散射基带信号。 对其进行 后续的数字信号处理去除噪声， 再由计算机软件对去噪声后的数据进行分析， 便可得到所需 的应力或温度传感信息。 本文后面的章节详细讨论上述方案中散射光信号处理系统的设计， 下面先对光相干检测 技术和散射光信号的特点加以分析。 浙江大学硕士论文 2 3 光相干检测技术 所谓光相干检测技术就是在发射端对光载波进行幅度、频率或相位调制，在接收端则采 用零差检测或外差检测来恢复调制信号。光相干检测原理方框图如图2 - 6 所示。光接收机接 收的信号光和本地振荡器产生的本振光经混频器作用后光场发生干涉。光检测器检测干涉 后的光信号，输出的光电流经处理后将以基带信号的形式输出。 信号光 幽2 6 光相干检测腺理方框图 单模光纤的传输模式是基模h e 】l 模，光检测器接收的信号光的光场可以写成 e ；= a se x p - i ( o o ，f + 九) 】 ( 2 - 7 、 式中，a 。、和妒，分别为光载波的幅度、频率和相位。 同样，本振光的光场可以写成 e z = a le x p - - i ( 0 9 l t + 庐l ) ( 2 - 8 ) 式中，a l 、。c 和九分别为光载波的幅度、频率和相位。 为了得到合适的光电信号，本振光的中心角频率。应满足： q = q 一或吼= 峨+ ( 2 9 ) 式中，u f 是中频信号的频率。 光检测器输出的光功率p 与光强i e + 毋1 2 成比例，即 p = 足j 皿+ e l i r 2 1 0 ) 式中，k 为常数。 e h 式( 2 7 ) 式( 2 - 1 0 ) ，根据模式理论和电磁理论计算的结果，输出光功率近似为 p ( f ) 只+ 只+ 2 瓜c 。s b f + 娩一九) 】 f 2 _ 1 1 、 式中，只= 盖印只= k a ：0 9 俨= 国，一出。显然，式( 2 1 1 ) 右边最后一一项足中频信号 功率分量，它实际上是叠加在只和n 之上的一种缓慢起伏的变化，如图2 - 7 所示。由此可 见，中频信号功率分量带有信号光的幅度、频率或相位信息，在发射端无论采取什么调制 方式，都可以从中频功率分量反映出来。所以，相干光接收方式是适用= 】i ：所有调制方式的通 1 2 甲一 冒 蚕 浙江大学硕士论文 信或传感体制。 时一 乞( f ) = + t + 2 p 、f 丽c o s f + ( 噍一九) ( 2 - 1 2 ) 2 4 散射光信号的特点及相位噪声来源 在图2 5 所示的布里渊分布式传感系统中，用一个较低重复频率的方波脉冲来( 脉宽为 l o o n s ，重复周期为2 k h z ) 触发激光器工作，每次触发后，由激光器发射的脉冲光经过调 制等等处理后注入传感光纤中，在光纤上各点上的产生的自发布里渊散射，沿光纤传播返i 司 到注入端，经过定向耦合器输出，在输出端通过相干检测，得到如图2 - 8 示的原始信号波形。 由图中可看出，得到的原始光电信号是一带通的幅度调制信号，并包含有“丰富的噪声。 这个波形的重复周期与触发脉冲相同。接下来会从几个方面来详细说明信号的特点，并分析 其相位噪声的来源。 圈2 - 8 光相干检测产生的光电信号原始波形 浙江大学硕士论文 妇.4 .1 自 发 布 里 渊 散 射 信 号 的 特 点 【1 2 1 如图 2 - 9所示，光纤的布里渊散射信号具有一定的带宽，其频谱分布接近于洛伦兹 ( l o r e n t z )曲线，所以接受到的信号并不是限制在特定频率上的，而是一个宽带信号。另 一方面， 自 发布里渊散射是一个非线性的过程， 整个光纤的不同位置的自 发布里渊散射光信 号具有随机的偏振态， 这种随机的偏振态会影响接受到的光电信号， 表现为大量的幅度噪声， 如图2 - 1 0 所示， 信号中有大量的干扰。 2， . . . . . . . . . 口 . . . . 月 尸 . . . - ， -月 . . . . . :.: ，此“m岭 件书昌套.lul 0 蒸傀 2 . 7 曲勺 2st2 . e 2协 盒 . 的 ( g f i 4 1 2 目. 盈 右 图2 - 9布里渊散肘谱 :节 蔺 犷 谈 滋 目闷仰.妇目忽舟知加自自狱臼自 幼 .本吸匀母口侧 井御抢侣礴月翻自心 抽曰吮r 备 .国 娜 阳肠习 图2 - 1 0检测得到的布里渊散射光信号 浙江人学硕士论文 2 .4 .2光纤中的 色散和非线性效应对信号的影响/ 1 1 1 在布里渊分布式传感系统中， 传感场的改变表现为布里渊频移的变化， 所以需要确定布 里渊散射光信号的频谱图。 具体的测量方法是， 通过调整本地参考光的频率， 从而获得不同 频率处散射光的强度， 进而确定完整的布里渊散射光信号频谱图。 而频谱图的峰值， 也就是 布里渊频移。在这个过程中，必须考虑光纤色散对信号的影响 在图2 - 5 所示的布里渊分布式传感系统中， 使用了普通单模光纤。由于自 发布里渊散射 光信号是具有一定谱宽的光信号， 普通单模光纤可以看作一个存在着色散的光通道， 其频率 响应为: h , , ( w ) = ih ltnk ( co ) i e (m ) ( 2 - 1 3 ) 式中，。 为光信号的频率。 可以假设这个色散通道的频率响应的幅度变化较为平坦， 而其相 位则随频率而变化: ink(口 )i- 1ih e .tl o w (0) ) = b o + b i(。 一 ， 卜 9 22一 、 )2 + 、 ( 2 - 1 4) 广.一、.ij 式中l 为光信号的 能量 衰 减，b 。 为 初始 相位，e , 表示 群速度 色散 ( g v d ) , 0 2 表 示g v d 的参量，而。 。 为核心频率。 在对布里渊散射光信号进行相干检测时，由于不同频率处信号的色散不同，式 ( 2 - 1 4 ) 中 的b lla k ( co ) 就 会 转 变为 相 位噪 声 。 光纤中的群速度色散 ( g v d )的主要作用是展宽光纤内传输的光脉冲，此外，光纤中 还存在着非线性效应。 在高强度电 磁场中 任何电介 质对光的影响都会变成非线性， 光纤也不 例外。 从其基能级看， 介质非线性响应的起因与施加到它上面的场影响下束缚电子的非谐振 运动有关，结果导致电偶极子的极化强度 p对于电场e也是非线性的，但满足通常的关系 式: p = 凡 ( x 0 ) - e + x (2 ) : e e + x (3 ) : e e e + . . .) ( 2 - 1 5 ) 光 纤 中 的 最 低 阶 非 线 性 效 应 起 源 于 三 阶 电 极 化 率 x (3 ) ， 它 是 引 起 诸 如 三 次 谐 波 产 生 、 四 波混频以及非线性折射等现象的主要原因。 然而， 除非采取特别的措施实施相位匹配， 牵涉 到新频率产生 ( 三次谐波产生或四波混频) 的非线性过程在光纤中是不易发生的。因而， 光 纤 中 的 大 部 分 非 线 性 效 应 起 源 于 非 线 性 折 射率 ， 而 折 射 率 与 光 强 有 关 的 现 象 是 由 x 3 ) 引 起 的，即光纤的折射率可以表示成: n ( m , ie i2 ) 一 n ( co ) + n 2 ie iz ( 2 - 1 6 ) 浙江大学硕士论文 式 中 ， n ( w ) 是 方 程 的 线 性 部 分 ， ie 12 为 光 纤 内 的 光 强 ， 、 是 与 x ， 有 关 的 非 线 性 折 射 率 系 数。 折射率对光强的依赖关系导致了大量非线性效应，其中研究的最广泛的是自相位调制 ( s p m) 和交叉相位调制 ( x