（信号与信息处理专业论文）分布式光纤传感器解调技术的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 分布式光纤传感技术在分布式多点温度、压力等测量领域有着举足轻重的地位， 它不仅能克服传统传感器对环境要求较高的限制，还能避免传统传感器多点安装所带 来的不便。为了满足工程应用的需要，分布式光纤传感技术逐渐在特殊的测量领域中 得到应用，并朝着高精度、低成本、高可靠性、实时性等方向发展。 本文从温度和应变同时解调的分析以及光纤温度传感器数据采集与信号处理板 卡设计两个方面对传感信号处理进行研究。首先，通过比较温度和应变同时存在时对 两者解调的各种检测方案，总结并分析一种基于微波电光调制的自发布里渊散射外差 检测系统。其次，以t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 型号数字信号处理( d s p ) 芯片为核心器件，设计 分布式光纤温度传感器数据采集与信号处理板卡中嵌入式软件部分，主要包括板卡接 收准备的控制、信号处理子程序与串口通信子程序，完成信号接收、降噪、解调以及 与电脑( p c ) 通信。最后，将嵌入式软件应用于合作开发的数据采集与信号处理板卡， 对分布式光纤温度传感信号进行大量的测试、数据分析，通过参考理论解调系数，结 合实验所得数据进行解调参数调整，获得一组最佳参数，并讨论降噪效果与解调精度 的关系。 研究结果表明：第一，基于微波电光调制的自发布里渊散射外差检测系统在温度 和应变同时作用于传感光纤时，拟合所得解调系数与己报道的实验数据一致，对温度 和应变的解调精度分别为1o c 和1 0 0 雌。第二，采用c c s 3 3 软件设计的控制板卡 接收准备子程序、数据接收子程序、数据降噪处理子程序、温度解调子程序和p c 机 串行通信子程序分别运行正确。第三，将嵌入式软件与硬件结合，d s p 能够控制系统 进入连续接收状态，并实现了基于拉曼效应的分布式温度传感信号接收、降噪、解调 以及输出到p c 机显示的整个流程，分析得到系统最佳解调精度为3o c 。 关键词：分布式光纤传感器；自发布里渊散射；温度；应变；微波电光调制； t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 ；相干外差检测 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t r a c t 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 gt e c h n o l o g yp l a y sas i g n i f i c a n tr o l ei nd i s t r i b u t e d m u l t i - p o i n tt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r em e a s u r e m e n tf o ri t sc h a r a c t e r i s t i c so fr e m o v i n gt h e r e q u i r e m e n tf o ral o w e re n v i r o n m e n td i s t u r b i nt r a d i t i o n a ls e n s o r sa n da v o i d i n gt h e c o n s t r u c t i o ni n c o n v e n i e n c ef o rm u l t i p o i n ti n s t a l l a t i o no ft r a d i t i o n a ls e n s o r s t os a t i s f yt h e n e e d so fe n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n 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 gt e c h n o l o g yh a sr e c e i v e d i n c r e a s i n g l yi n t e r e s t si nt h es p e c i f i ca r e a so fm e a s u r e m e n tw i t had e v e l o p m e n tf o l l o w i n g t h ed i r e c t i o no fh i g h - p r e c i s i o n ，l o w c o s t ，h i g hr e l i a b i l i t y , a n dr e a lt i m e s t h es i m u l t a n e o u s l yd e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g yo ft h et e m p e r a t u r ea n ds t r a i na sw e l la s t h ed a t aa c q u i s i t i o no ff i b e rt e m p e r a t u r es e n s o ra n di t ss i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e md e s i g na r e s t u d i e df o rt h es e n s i n gd e t e c t i o ns y s t e mi nt h i sa r t i c l e f i r s t l y , am i c r o w a v ee l e c t r o o p t i c a l m o d u l a t i o nb a s e ds 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 gh e t e r o d y n ed e t e c t i o ns y s t e mi sp r o p o s e d a n da n a l y z e db yc o m p a r i n gt h ed e m o d u l a t i o ns c h e m e so ft e m p e r a t u r ea n ds t r a i nw h e nt h e y c o e x i s ta tt h es a m et i m e s e c o n d l y , t h i sd i s s e r t a t i o nd e s i g nt h ee m b e d d e ds o f t w a r e c o m p o n e n t si nt h ed a t aa c q u i s i t i o nb o a r da n ds i g n a lp r o c e s s i n gb o a r do fad i s t r i b u t e d o p t i c a lf i b e rt e m p e r a t u r es e n s o rb a s e do nt h ep r i m a r yd e v i c ew i t ht m s 3 2 0 v c 5 4 16t y p e d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ( d s p ) c h i p t h es o f t w a r em a i n l yi n c l u d e sb o a r dc o n t r o lo f p r e p a r i n gr e c e p t i o n ，s i g n a lp r o c e s s i n gs u b r o u t i n e ，s e r i a l c o m m u n i c a t i o ns u b r o u t i n e ， a c c o m p l i s ho fs i g n a lr e c e p t i o n ，n o i s er e d u c t i o n ，d e m o d u l a t i o na n dp e r s o n a lc o m p u t e r ( p c ) c o m m u n i c a t i o n f i n a l l y , t h ee m b e d d e ds o f t w a r e i s d e v e l o p e dt oc o e x p l o i tt h ed a t a a c q u i s i t i o nb o a r da n ds i g n a lp r o c e s s i n gb o a r d ，b ye x t e n s i v e l yt e s t i n g t h es i g n a la n d a n a l y z i n gt h ed a t ao ft h es e n s o r ag r o u po fb e s tp a r a m e t e r sh a v eb e e n o b t a i n e db y r e g u l a t i n gt h et h e o r e t i c a lm o d u l a t i o nc o e f f i c i e n ta c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n td a t a ，a n dt h e r e l a t i o no ft h en o i s er e d u c t i o na n dd e m o d u l a t i o np r e c i s i o ni sd i s c u s s e di nd e t a i l t h er e s u l t sf i r s t l ys h o wt h a t i nt h es p o n t a n e o u sb r i u o u i ns c a t t e r i n gh e t e r o d y n e d e t e c t i o ns y s t e mb a s e do nm i c r o w a v ee l e c t r o - o p t i cm o d u l a t i o n ，w h e nt h et e m p e r a t u r ea n d s t r a i ni m p a c to nt h es e n s i n gf i b e ra tt h es a m et i m e ，t h ef i t t e dd e m o d u l a t i o nc o e f f i c i e n ti s h i 曲l ya c c o r d a n c ew i t ht h er e p o r t e de x p e r i m e n tr e s u l t s t h ed e m o d u l a t i o np r e c i s i o n so f t e m p e r a t u r ea n ds t r a i na r e 1 o ca n d10 0 肛，r e s p e c t i v e l y s e c o n d l y , t h er e c e p t i o n p r e p a r i n gs u b r o u t i n e ，d a t ar e c e i v i n gs u b r o u t i n e ，d a t a n o i s er e d u c t i o ns u b r o u t i n e ， t e m p e r a t u r e d e m o d u l a t i o ns u b r o u t i n ea n dp cs e r i a lc o m m u n i c a t i o ns u b r o u t i n ea r e d e b u g g e di nt h ec o n t r o lb o a r dc o r r e c t l yi nv i e wo fc c s 3 3s o f t w a r ed e s i g n ，r e s p e c t i v e l y t h i r d l y , b yc o m b i n i n gt h ee m b e d d e ds o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，d s p c a nc o n t r o lt h es y s t e mt o 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 w o r ki nac o n t i n u er e c e i v i n gs t a t u s t h e n ，t h er a m a ne f f e c tb a s e dd i s t r i b u t e dt e m p e r a t u r e s e n d i n gs i g n a li sr e c e i v e d ，p r o c e s s e dn o i s er e d u c t i o n ，d e m o d u l a t e da n dd i s p l a y e di nt h e s c r e e n t h eb e s td e m o d u l a t i o np r e c i s i o no ft h es y s t e mi s3 。c k e yw o r d s ：d i s t r i b u t e do p t i c a lf i b e r ；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 g ；t e m p e r a t u r ea n d s t r a i n ；m i c r o w a v ee l e c t r o - o p t i cm o d u l a t i o n ；d s p ；c o h e r e n th e t e r o d y n ed e t e c t i o n 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密酉，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“扩) 学位论文作者签名：伍中耀 指导老师签名： 日期：功7 0 厂1q - 杆 日期：猡，d 厂，矽 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 )在分布式光纤温度和应变同时解调的系统中，比较强度与频移的直接检测、外差 检测和相干外差检测三种方案，总结并分析了一种基于微波电光调制的自发布里 渊散射外差检测方案，通过数值建模，讨论了温度与应变同时解调的精度，以及 系统对采样频率的要求。 2 ) 针对拉曼效应的分布式光纤温度传感器数据采集与信号处理板卡，以t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 型号d s p 为核心器件，设计控制板卡接收准备子程序、数据接收子程序、 降噪处理子程序、温度解调子程序和串口通信子程序。 3 )在拉曼效应的分布式光纤温度传感实验中，将设计的嵌入式软件程序和硬件结 合，验证了嵌入式程序的正确性，并大量采集实验数据，通过m a t l a b 分析降噪 效果，及其对解调精度的影响。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：侄串耀 日期：仂fo 多忙 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究意义 第一章绪论帚一早三百下匕 地震造成的巨大人员伤亡及财产损失，让地震预测重新成为科学界乃至整个社会 关注的热点，因此在恶劣的地下环境中，对地质板块内部温度、应力、地下流体压力、 地下磁场等物理量动态变化的检测是我们需要仔细研究的问题。不仅在地质测量中， 其他很多的领域，包括管道泄露、山体滑坡、火灾等各种领域，都为传感器的发展提 供了广泛的需求，但在这些特殊环境中，电传感器却往往无法工作，因此为光纤传感 器提供了发展的广阔前景1 1 圳。 与电传感器相比较，光纤传感器具备耐高温、抗腐蚀、抗电磁干扰等特殊性质【4 剖。 自1 9 8 5 年d a k i n 首次利用氢离子激光器研制出基于后向拉曼散射的分布式光纤温度 传感系统以烈7 】，分布式光纤传感器得到了长足的发展，被学者们从测量原理、接收 方案等各个方面不断的改进，在温度和应变信息的测量上已经达到了较高的水平。在 地质勘查、桥梁隧道、电力电缆等长距离沿线温度、应变检测中，光纤传感器承担实 时测量空间环境场信息分布的任务【& 1 1 】。同时分布式光纤传感器采用的传感材料是普 通单模光纤，沿途铺设便可实现分布式外界物理量测量，进一步凸显其优势。因此不 断提高分布式光纤传感器的测量范围和精度具有重要意义。 在光纤的一端输入一束激光脉冲，同时在这一端探测反射回来的信号光的方法称 为光时域反射( o t d r ) ，这是一种常用的分布式光纤传感方案，最早在1 9 7 6 年由英国 南安普顿大学的b a m o s k i 和j e n s e n 证明【1 2 , 1 3 】，后来被研究人员广泛应用，由o t d r 反射回来的光包含三种成分，分别为：瑞利散射光、布里渊散射光和拉曼散射光，它 们分别携带着温度或者应变信息，如何将它们解调出来并不断提高测量精度、降低测 量成本成为当前研究的热点。同时由于在很多实际工程中，温度和应变的影响经常同 时存在的，如何正确的解调出两者的信息更是让很多研究人员花费了大量的精力，一 旦这项技术完全成熟起来，将会给温度和应变交叉影响的项目监测带来极大的方便 【6 ，9 1 o 总的来说，在工业应用的不同场合中对光纤传感器的测量精度、空间分辨率和测 量距离都会有所差异，在不同的要求下对传感器的设计都面临着很多复杂的问题，因 此光纤传感器的成本还需要不断降低、性能需要不断提高，并且温度和应变同时测量 还没有广泛应用等等，这些关键技术的突破对光纤传感器在工业中的应用将会起巨大 的推动作用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 光纤温度、应变同时检测方案的发展现状 光纤温度和应变同时检测的方案主要分为三种，( 1 ) 、强度与频移直接检测；( 2 ) 、 强度与频移外差检测；( 3 ) 、强度与频移相干外差检测。因为在传感测量中，所接收到 的自发布里渊散射信号光的强度与频移都受到外界温度和应变变化的影响，而强度和 频移与温度和应变的变化又呈线性关系【9 , 1 0 】，可以通过解二元一次方程组得出两者的 大小，所以基于自发布里渊散射的分布式光纤温度应变同时传感检测方案设计，主要 集中于如何将布里渊散射信号光的强度和频移测出，获得这两个信息后便能很方便的 解调出各个位置的温度和应变大d x 8 , 9 , 1 4 , 1 5 】。目前有几种用于分布式光纤传感器温度和 应变同时检测的方案被提出并论证。 1 2 1 布里渊频移和强度直接检测方案 通过对布里渊散射光频移和强度直接检测来同时解调温度和应变信息的方法，是 对基于布里渊散射光功率、频移与温度和应变的关系呈线性，可通过解方程组来解调 最直观的理解，最早在1 9 9 7 年由p a r k e rtr 等人采用法布里珀罗干涉仪，同时检测 出布里渊散射光功率和频移，实现了应变精度1 0 0 雌、温度精度4 。c 、空间分辨率 4 0r r l 的测量 1 4 , 1 5 】；后来在2 0 0 0 年，由k e ehh 、l e e sgp 等人提出的通过调节马赫 曾德尔干涉仪的传输函数，对白发布里渊散射信号光进行接收，在最大值处对应传输 函数的频率即为布里渊散射光频移，同时得到接收到的散射光强度，因此能够同时解 调出温度和应变，在1 5k m 的传感光纤长度上，实现1 0m 的空间分辨率，测温误差 为4o c ，应变误差为2 9 0 嶂 1 6 】。因为布里渊和瑞利光频率差异太小，这对干涉仪稳 定性有较高要求。 1 2 2 布里渊频移和强度外差检测方案 采用外差检测方案来得到布里渊散射光功率和频移，是一种改进的温度应变同时 解调方案，但外差信号并没有直接得到功率和频移，而是将其通过频谱分析仪，直接 分析出布里渊散射光功率和频移。该方案最早在2 0 0 0 年，由n e w s o ntp 、k e eh h 等人在他们前期直接检测方案的基础上通过改进，提出了基于外差检测的温度与应变 同时解调系统，在1 5k m 光纤上，实现了1 0 。c 的温度分辨率和2 9 0 肛的应变分辨 率【 ，l8 j ；后来，2 0 0 1 年他们又在3 0k m 光纤上，实现了4 。c 的温度分辨率和1 0 0 嶂 的应变分辨率l l 引；k o y a m a d ay ，i m a h a m am 小组在通过外差检测方案测量温度和应变 的方向上作了相当多的工作，在2 0 0 6 年报道了基于外差检测进行温度和应变同时解 调的方案【2 0 1 ，2 0 0 9 年又通过改进算法，将温度和应变测量的分辨率分别提高到了0 0 1 和8 9n 1 2 1 1 ；国内在2 0 0 7 年，华北电力大学研究小组通过数值分析外差检测法， 证明可以达到2 4 。c 的温度分辨率、5 2 岭的应变分辨率和1 0m 的空间分辨率1 2 2 i ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 与其他实验方案进行对比，分析了造成测量不精确的一些因素，并通过实验对温度的 测量精度进行了验证；2 0 0 9 年，山东大学研究小组也采用差外检测方案利用频谱分析 仪分析，获取了布里渊散射信号光功率和频移，实验验证计算所得布里渊散射光频移 受温度和应变影响的精度分别为1 0 8 4 3 m h z 。c ，0 0 4 9 m h z l a z ，没给出对温度应变 的解调精度【2 3 1 ，不过这些条件已经足以得出温度和应变。外差检测法获得的是本地光 和接收的反斯托克斯信号光的差频成分，通过频谱分析仪进行分析，系统的稳定性更 强，较直接检测法而言，信噪比大大提高，并且在实验室条件允许的情况下，是最方 便测量和调试的，但系统需要高速高频谱分析仪。 1 2 3 布里渊频移和强度相干外差检测方案 采用相干外差检测方案来得到布里渊散射光功率和频移，最早在1 9 9 4 年，由 s h i m i z uk ，h o i g u c h it 小组实验验证，通过可调本地参考光，对外差信号进行相干接 收，当输出功率最大时本振频率即为布里渊散射光频移，因此可以获得布里渊散射信 号频移和强度，实现了1 0 0m 空间分辨率，2 。c 温度测量误差，1 0 0 炉应变测量误 型2 4 】；k o y a m a d ay 小组在2 0 0 7 年通过改进他们以前发表的外差检测实现温度和应变 的同时检测方案，在相干外差检测情况下将空间分辨率由之前的1m 提高到了2 0 c m 2 5 1 。国内浙江大学的研究小组在2 0 0 5 年采用相干外差检测对温度应变同时解调， 获得了1 0 m 空间分辨率，温度测量误差为3 。c ，应变测量误差为1 0 0 嶂【2 6 】；华北电 力大学的研究小组在2 0 0 8 年，采用相干自外差检测对温度应变同时解调，获得了lm 空间分辨率，温度测量误差为0 5 。c ，应变测量误差为1 0 5 嶂【2 7 】，2 0 0 9 年又在该 方案基础上提出了改进方法，不断提高测量准确性【2 引。相干外差检测方案通过直接获 取本振信号频率来得到布里渊散射光频移，使得测量更加准确，抗外界因素影响的能 力更好，这种检测方案最关键的部分是要提供本地可调参考光。 国内国外对光纤传感器的研究正处于百家争鸣的状态，特别在通过测量强度和频 移的方法来解调温度和应变大小的方法中，不断有令人激动的新成果被报道，通过以 上的几种温度和频移的检测方案以及它们的发展现状，特别是从近几年的研究情况不 难发现，如何实现温度和应变的同时测量以及如何满足长距离和高精度的测量不断激 励着研究人员努力探索。 1 3 论文结构安排 温度、应变同时解调的分布式光纤传感器在我国目前还有很多具体的问题需要解 决，因此我们需要参考国外先进技术方案和实现方法，结合国内工程应用中的实际需 求，使分布式光纤传感器达到高精度和长距离测量的需求，并控制设备成本。 第一章绪论。介绍了分布式光纤传感器的起源及其在工程应用中的重要意义， 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 并总结了目前己提出的几种用于温度、应变同时检测的方案； 第二章基于自发布里渊散射的分布式光纤传感器基础理论。介绍了光纤中的散 射效应，以及自发布里渊散射效应的基本原理，针对自发布里渊散射阐述了温度、应 变对其频移和强度的影响； 第三章分布式光纤传感器温度与应变同时检测系统分析。分析了一种利用外差 检测所得微波信号电场振幅和频率来计算后向布里渊散射光功率及频移的方法。该方 法通过对功率较强的微波信号数值拟合，利用拟合结果中的直流分量和交流分量计算 出后向散射光功率、频移及其随温度、应变变化的系数矩阵，解调出温度和应变的大 小； 第四章光纤传感数据采集与信号处理板卡软件设计。介绍基于拉曼散射效应的 分布式光纤温度传感器数据采集与信号处理板卡嵌入式软件开发和上层软件设计，嵌 入式软件开发主要针对t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 型号d s p 芯片，完成对板卡接收准备的控制， 并设计了信号处理模块与通信模块；上层软件设计主要实现温度曲线的接收并实时显 示。 第五章光纤拉曼温度传感器信号处理测试结果。介绍嵌入式软件与硬件结合， 测试对拉曼散射效应的分布式光纤温度传感信号进行接收、降噪、解调及与p c 通信 的运行情况，并对结果进行大量采集，分析了各种不同的降噪程度对解调精度的影响， 得出不同的解调误差。 最后是结论、致谢、参考文献和攻读硕士学位期间发表的论文。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第二章自发布里渊散射光纤传感器基础理论 2 1 光纤中的散射效应 光纤中的散射效应从散射光的频移特性来划分，包含有两大类：( 1 ) 、以瑞利散射 为主，因为瑞利散射是光纤介质的不均匀性所引起的分子间的弹性碰撞，散射光频率 和输入光频率相同；( 2 ) 、以布里渊散射和拉曼散射为主，布里渊散射是由于光与光纤 中的声学声子相碰撞所引起，从能级跳跃的角度来分析，就出现了两种情况，如果入 射光吸收一个声子的能量，就会转化为一个频率较高的反斯托克斯光子，反之如果碰 撞过程中入射光释放掉一个声子的能量，就会转化为一个频率较低的斯托克斯光子 【2 9 】，同理，对于拉曼散射，与入射光发生碰撞的是光学光子，从量子物理的角度整个 碰撞及能量转换的过程是类似的。 由于材料、制作工艺等限制，在理想化的情况难以达到时，散射现象在电磁波传 输中不可避免，为了更清晰的理解各种散射光之间的频率关系，可以通过散射光谱示 意图来理解，如图2 1 所示【2 9 , 3 0 】： 拉曼散射布里渊散射瑞歹 散射 拉曼散射 f1 、 f| | 图2 - 1 光纤中散射光频谱不意图 其中，横轴v 表示散射光频率，纵轴，。表示光谱强度。瑞利散射光和入射光波长 相同，频率为v o ；由传输介质中的粒子自发热运动形成的声波场，对光纤介质内部折 射率起到周期调制的作用，因此当入射光照射到此周期结构上就会形成一种类似光栅 的衍射，衍射光栅会对入射光起到反射的作用，反射回来的光即被称为布里渊散射光， 频率分别为一、+ ，假设入射光波长为1 5 5 0n l l l 时，布里渊散射光频移y b 大约为1 1g h z由光纤介质内的光学声子和入射光光子的碰撞，导致入射光子改变 方向，并在满足能量守恒的情况下发生能量交换，使得入射光频率改变，即称之为拉 曼散射光，频率分别为一y 。、+ y 。，假设入射光波长为1 5 5 0n l t l 时，拉曼散 射光频移y 。大约为1 2t h z 。 2 2 基于自发布里渊散射的光纤传感 当输入到光纤的功率不超过受激布里渊散射的阈值时，上一小节所介绍的声学声 子热运动，导致入射光发生频移并反射回输入端，这种现象就是通常所说的自发布里 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 渊散射。自发布里渊散射所产生的散射光功率随温度或者应变的改变而不同，并且在 一定的范围内呈现线性变化的规律，因此本节中通过理论介绍，阐述利用其进行分布 式光纤温度传感的原理。 2 2 1 自发布里渊散射传感接收原理 自发布里渊散射用于分布式光纤传感已经成为广泛关注的热点，相比较其他的传 感原理，其一端输入并且在同一端接收的构造，有效的减少了工程应用中安装所带来 的麻烦，这种接收原理就称为光时域反射，该原理最早在1 9 7 6 年，由英国南安普顿 大学的b a m o s k i 和j e n s e n 证明1 1 2 , 3 1 j ，主要为了用于测量光纤中的断点或者损耗大小， 当时有一些文献报道了多模光纤中的o t d r ，实际上单模光纤中的o t d r 更难探测， 原因有两点：第一，相比较多模光纤，单模光纤中的散射系数较小，因此散射光功率 更弱；第二，光源耦合进入单模光纤的效率比多模光纤低【3 。光时域反射示意图如图 2 2 所示： 光 光纤 图2 2 光时域反射传感原理示意图 图2 2 中，泵浦光脉冲以一定的重复周期进入光纤，光纤中的声波场会使任意位 置的入射光都产生散射效应，随着泵浦光功率的衰减，散射光的功率也不断减小，因 此在输入端接收到的散射光功率实际上是随着距入射端位置越远而逐渐递减的趋势。 因为光脉冲经过光纤各个位置的时间不同，反射回入射端的散射光功率正好在时间上 和光纤沿线的位置一一对应，所以可以对接收信号解调获得光纤沿线上的环境信息， 然后通过时间与位置的关系，将解调的结果与光纤沿线的位置对应，实现了分布式光 纤传感。 输入端接收到的散射光功率所对应光纤沿线的位置与泵浦光发送时间的关系如 下【3 1 】： l = v t 2 ( 2 1 ) 其中，y 为光在光纤中的速度，t 为从光脉冲发出到接收到散射光的时间，三为光纤 沿线上产生散射光的位置。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 2 2 自发布里渊散射光功率和频移 在基于自发布里渊散射的分布式光纤传感系统中，自发布里渊散射光功率计算的 理论模型有两种，一种是针对含有热噪声项的耦合模方程的理论模型，通过时域有限 差分法数值建模，采用近似逼近来求解得到散射光功率，但耦合模方程中不包含散射 光频移项；另一种方法是在k o hia 等人分析的瑞利散射光功率理论模型的基础上， 得到的一种通过泵浦光光功率只、布里渊后向散射因子s 、布里渊散射损耗系数来 计算自发布里渊散射光功率最的理论模型，本文采用了第二种理论模型，布里渊散射 光功率如下所示【3 2 】： 只= p oe x p ( 一2 0 t o l ) s o t b w v 2( 2 2 ) 其中，为输入脉冲光在光纤内的损耗系数，形为泵浦光脉冲宽度，矿为光在光纤 中的速度。 布里渊散射光子是在入射光子与声子相互碰撞时，能量的吸收与消耗中所产生， 碰撞的角度不同，转换的效率也会有所差异，因此布里渊散射光频移不仅与入射光波 长有关，还与泵浦光和散射光之间碰撞的夹角0 有关，布里渊散射光频移厶可以表示 如下 3 3 , 3 4 ： 五= f o 一工= 厶一f o = s i n ( o 2 ) 2 n v a 凡( 2 3 ) 其中，五为输入脉冲光频率，z 为斯托克斯光频率，厶为反斯托克斯光频率，n 为 光纤纤芯折射率，圪为光纤中的纵模声速，以为入射光脉冲波长。 但在普通光纤中，布里渊散射主要为背向散射，也就是散射效应主要发生在0 = 庀 这个角度，代入式( 2 3 ) 中，表示如下： 五= 2 n 圪厶( 2 4 ) 在本文以后的讨论中全部以式( 2 4 ) 为布里渊散射光频移的理论模型进行自发布 里渊散射光纤传感器温度与应变同时解调分析。 因为温度、应变的不同，材料的各种物理性质也会发生变化，所以光纤沿线温度 或应变改变时，也将引起胛、光纤材料密度p 、泊松比k 、杨氏模量e 改变，而这些 传输介质的特性与s 、圪息息相关，分别如下【3 2 确】： s = ( 凡刀) 2 4 万岛( 2 5 ) = ( 8 3 ) x t3 刀) ( ，2 8 砭夕呀) ()r(z 2 - 6 圪= 焉 ( 2 7 ) 其中，为光纤的有效面积，k 为玻尔兹曼常数，弓为绝对温度，墨：为弹光系数。 2 2 3 自发布里渊散射温度、应变交叉敏感 由上一小节式( 2 2 ) ，式( 2 4 ) ，式( 2 5 ) ，式( 2 6 ) ，式( 2 7 ) 看出，当刀、p ， k ， e 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 不变的情况下，可以得到s 、圪这三个系数是固定值，在入射光功率不变的前提 下，散射光功率和频移不会发生改变，这表明如果外界条件稳定不变，所得测量结果 也将是一个稳定不变的值。 但是，实际情况中，刀、p ， k ， e 不仅是温度的函数，同时也是应变的函数， 温度、应变的变化都会对这四个物理量产生不同程度的影响，并且p a r k e rtr ， f a r h a d i r o u s h a nm 等人已经通过理论和实验证明【1 4 , 1 5 】，温度、应变在一定范围内变化， 这四个物理量与其近似为线性关系，分别如下所示【3 h l 】： e ( t ，) = e ( 死，岛) + e t a r + 巨占 n ( t ，) = n ( 7 0 ，e o ) + n r a t + + n a e p ( t ，) = p ( t o ，o ) + p t a t + p t a k ( t ，) = k ( t o ，e o ) + k , a t + t ( 2 8 ) 其中，相对于参考温度瓦和参考应变岛，在温度变化r 和应变变化时，式中各参 数如下表2 1 、2 2 、2 3 所示： t = 4 1 7 6 x 1 0 1 1 e p ：= - 1 4 5 x 1 0 | 已 n 。= 一0 3 3 e 屯= 3 0 7 s 表2 - 3e 、刀、p 、k 随温度的变化率 温度改变1 。c 时的变化蓼3 5 1 e r = 1 3 5 x 1 0 7 。c p r = - 4 0 4 x 1 0 。3 。c 吩= 0 6 8 x 1 0 5 。c 砖= 4 5 1 5 x 1 0 。c 由式( 2 2 ) ，式( 2 - 4 ) ，式( 2 8 ) 可以看出温度和应变的变化将引起自发布里渊后向散 射光功率和频移线性变化，即与只和五的关系呈线性，这种线性关系可以通过一个矩 阵方程清晰的表达出来 6 , 1 4 , 2 2 ： 髫州期 p 9 ， 其中，o r 、c 盯、c p 、c 他分别为光功率、频移的改变量相对温度、应变的改变量 的变化系数。因此，如果得到光纤沿线的自发布里渊后向散射光功率和频移的变化， 通过式( 2 9 ) 式即可解调出温度和应变信息。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第三章光纤传感器温度与应变同时检测系统分析 由于后向布里渊散射信号光功率、频移的改变量分别与温度、应变的变化呈线性 关系1 6 , 2 2 j ，因此基于布里渊散射的分布式光纤温度、应变同时解调主要采用测量反斯 托克斯光功率和频移的方式，已报道的通过这种方式进行解调的方案主要三种：( 1 ) 、 基于可调光纤马赫曾德尔干涉仪( m z i ) 的直接检测的方案；( 2 ) 、采用频谱分析仪对外 差检测信号进行分析的方案；( 3 ) 、利用可调本地参考光进行相干外差检测的方案。直 接检测法难以在复杂的环境下得到稳定的输出；外差检测法一般采用频谱分析仪进行 数据分析和处理，不利于实际应用；相干外差检测法需要调节本地参考光，使得系统 较为复杂。 在以上方案的基础上，本文分析了一种基于微波电光调制进行外差检测的方案， 该方案与以上第二种方案的主要区别是加入一个电光调制器，使得接收到的微波信号 可以通过高速采样获得；与第三种方案的主要区别是接收信号通过数值拟合分析出布 里渊散射光功率和频移，解调出温度和应变，不用可调本地参考光进行相干接收。 3 1 温度与应变同时检测的几种方案 3 1 1 直接检测 直接检测方案是一种通过对布里渊散射光直接接收的方式来获取布里渊散射光 功率和频移的方案，原理框图如图3 1 所示 1 4 j 5 ： 图3 1 直接检测方案 输入脉冲光通过环形器进入传感光纤中，反射到入射端的布里渊散射光从环形器 的另一端输出，散射光中含有瑞利和布里渊两种频率成分，因此通过一个马赫曾德 尔干涉仪不仅能滤出瑞利信号，还能获得布里渊散射光的强度，同时可以通过调节干 涉仪的臂长，获得布里渊散射光的频移，在散射光功率和频移获得的情况下，即可以 实现温度与应变的同时解调。因为布里渊散射光功率本来就十分微弱，并且被完全淹 没在瑞利散射光中，所以对干涉仪的稳定性要求较高。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 3 1 2 外差检测 外差检测方案是一种通过自发布里渊散射光与本振光进行外差接收获得差频成 分，通过高速频谱分析仪，分析出布里渊散射光功率和频移的方案，原理框图如图3 2 所示【1 7 , 1 8 ： 图3 2 外差检测方案 激光器输出连续脉冲，通过耦合器分为两路，功率较高的一路通过电光调制，形 成一定周期的脉冲光通过环形器输入到传感光纤中，环形器的另一端输出传感光纤中 反射回来的布里渊散射信号光，通过耦合器2 后与耦合器1 的另一臂输出的光混合， 也就产生了所需要的差频成分，通常约为十几g h z ，由于差频成分的频率较高，所以 需要较大带宽的频谱分析仪来采集数据和观察，通过分析能够获得布里渊散射光功率 和频移，最后可以解调出温度和应变。因为采用了差频的方式，光源的不稳定产生的 频率漂移同样相对于散射光也产生漂移，所以能排除光源对系统精确测量的影响，提 高稳定性和可靠性。 3 1 3 相干外差检测 相干外差检测方案是一种通过可调的本地光和外差接收输出光进行相干检测，调 节本地光获得最大的输出，并分析即可获得布里渊散射光的功率和频移的方案，原理 框图如图3 3 所示2 6 - 2 8 , 4 2 ： 激光器输出连续光经过耦合器1 分为两路，一路通过脉冲调制成为一定频率输出 的脉冲光，经过环形器输入到传感光纤，耦合器1 的另一路通过1 1g h z 的微波调制， 输入到耦合器2 与传感光纤反射回来的散射光进行外差接收，经过光电转换，与几十 m h z 的可调本地光进行相干接收，获取最大的输出频率，通过数据采集与分析得到 散射光功率和频移，最后解调出温度和应变。对频率的获取需要调节本地光，本振频 率与光电转换输出的信号频率相同时，才能在数据采集与处理部分获得最大的信号强 度，此时本地光的频率即为布里渊散射光的频移。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 图3 3 相干外差检测方案 3 2 基于微波电光调制的自发布里渊散射外差检测系统 在以上方案的基础上，结合各自的优缺点，分析一种基于微波电光调匍j ( e o m ) 进 行外差检测的方法。该方法与以上第二种方案的主要区别是加入一个电光调制器，使 得接收到的微波信号可以通过高速采样获得；与第三种方案的主要区别是接收信号通 过数值拟合分析出布里渊散射光功率和频移，不用可调本地参考光进行相干接收。基 于微波电光调制的外差检测式光纤传感系统示意图如图3 4 所示： 图3 - 4 基于微波电光调制的外差检测式传感系统示恿图 激光器输出频率为五的连续光，一路由e o m l 调制为脉冲光耦合到传感光纤中； 另一路由e o m 2 调制，输出光频率为五+ 正，z 为微波驱动频率。反射回来的散射光 通过耦合器进入带宽为2g h z 的光电探测器进行外差检测。布里渊散射光频率为 兀+ 五，其中以( 五 z ) 为布里渊频移。在此示意图中，通过微波电光调制使探测到 的光频率五一z 约为几十兆赫兹，所以可由高速采样及数值拟合获得微波信号电场振 幅和频率，计算出后向布里渊散射光功率及频移。在温度、应变改变时拟合出光功率、 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 频移改变量所对应的变化系数，用来解调温度和应变。 3 3 温度和应变解调 在系统模型中，参考相关理论与实验，采用波长磊= 1 5 5 0n m 、峰值功率 只= 1 0m w 、脉宽形= 1 0 0l l s 的输入光，传感光纤长度为l = 1 0k m ，散射光功率中 力i e i , n 2 4d b 高斯白噪声【4 3 】。由于布里渊频移为1 1 2g h z ，为满足空间分辨率1 0m 范 围内数据拟合所需信号周期数，微波调制频率设为疋= 1 1 1 5g h z ，此时外差接收到 的微波信号最小频率为5 0m h z ，通过估计最大频移量，分析中选择6 0 0m h z 高速采 样。对返回的布里渊散射光进行外差检测，将所得微波信号累加5 0 0 0 次降噪，拟合 计算出式( 2 9 ) 中系数矩阵；并在距光纤始端5 0 0 5 1 0i r l 处施加温度为5 0o c 和应变为 2 5 0 0 雌进行解调，应变单位的含义为光纤纤芯纵向改变量相对纤芯直径的变化。 3 。3 1 微波电光调制外差检测分析 当两束光波在耦合器中混合时，由正弦波的叠加公式，混合输出的信号包含有两 束输入光的差频、和频、倍频等分量，而这些频率并不能完全被接收，因为光电接收 机有带宽