（通信与信息系统专业论文）botdr系统中的sbs效应及其传感应用的理论研究.pdf

摘要 摘要 深入研究了光纤中的受激布里渊散射( s b s ) 效应，阐明了b o t d r 系统中 s b s 效应的产生机理，并探讨了其在分布式光纤传感中的应用前景。当电光 调制器的消光比有限时，漏光将通过s b s 效应对入射脉冲光产生的自发布里 渊散射进行放大，使时域波形明显区别于一般b o t d r 波形；推导了s b s 信号功 率的表达式，并对系统的时域波形进行了数值仿真；分析并仿真了不同消光 比下s b s 信号对b o t d r 系统性能的影响；提出了采用待测环境下光纤中的布里 渊信号功率和己知环境下光纤中的布里渊信号功率之比检测由温度和应变 变化引起的s b s 功率变化的方法，并在此基础上分析了信噪比和测量精度等 系统性能，验证了b o t d r 系统中s b s 信号的传感优势。 关键词：光纤传感，布里渊光时域反射计，受激布里渊散射，电光调制器， 消光比 a b s t r a c t t h es 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 g ( s b s ) e f f e c ti no p f i c mf i b e ri ss t u d i e d t h e m e c h a n i s mo fs b se f f e c to c c u r r e di nab o t d rs y s t e ma n dt h ea p p l i c a t i o np r o s p e c to f s b sa r ee l a b o r a t e di nt h i st h e s i s w h e nt h ee x t i n c t i o nr a t i oo fe l e c t r o - o p t i cm o d u l a t o r i sf i n i t e ，t h es 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 gp r o d u c e db yt h ei n c i d e n tl i g h tp u l s ei s a m p l i f i e db yt h el e a k e dl i g h tt h r o u g ht h es b si n t e r a c t i o n ，w h i c hm a k e st h e b a c k s c a t t e r e dw a v e f o r md i f f e r e n to b v i o u s l yf r o mt h et r a d i t i o n a lb o t d rw a v e f o r m t h et i m ed o m a i ne x p r e s s i o no fs b sp o w e ri sd e r i v e da n dt h e ns i m u l a t e dn u m e r i c a l l y w i t hd i f f e r e n te x t i n c t i o nr a t i o t h ei n f l u e n c eo fs b se f f e c t0 1 1t h ep e r f o r m a n c eo f b o t d rs y s t e ma r ea n a l y z e da n ds i m u l a t e d f i n a l l y , w eu s et h er a t i oo ft h es b s s i g n a lp o w e ri nu n k n o w ne n v i r o n m e n tw i t ht h a ti nk n o w ne n v i r o n m e n tt om o n i t o rt h e s b sp o w e rc h a n g ed u et ot h ei n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r ea n ds t r a i n o nt h eb a s i so ft h i s ， t h ep e r f o r m a n c e so ft h es b ss i g n a l b a s e db o t d rs e n s i n gs y s t e ms u c ha ss i g n a lt o n o i s er a t i oa n dm e a s u r e m e n ta c c u r a c ya r ea n a l y z e d ，w h i c hd e m o n s t r a t e st h e s u p e r i o r i t yo fs b sa sas e n s i n gs i g n a l y a n gx i n g h o n g ( 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 y w o r d s ：o p t i c a lf i b e rs e n s i n g ，b o t d r ，s b s ，e o m ，e x t i n c t i o nr a t i o 摘要 摘要 深入研究了光纤中的受激布里渊散射( s b s ) 效应，阐明了b o t d r 系统中 s b s 效应的产生机理，并探讨了其在分布式光纤传感中的应用前景。当电光 调制器的消光比有限时，漏光将通过s b s 效应对入射脉冲光产生的自发布里 渊散射进行放大，使时域波形明显区别于一般b o t d r 波形；推导了s b s 信号功 率的表达式，并对系统的时域波形进行了数值仿真；分析并仿真了不同消光 比下s b s 信号对b o t d r 系统性能的影响；提出了采用待测环境下光纤中的布里 渊信号功率和己知环境下光纤中的布里渊信号功率之比检测由温度和应变 变化引起的s b s 功率变化的方法，并在此基础上分析了信噪比和测量精度等 系统性能，验证了b o t d r 系统中s b s 信号的传感优势。 关键词：光纤传感，布里渊光时域反射计，受激布里渊散射，电光调制器， 消光比 a b s t r a c t t h es 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 g ( s b s ) e f f e c ti no p f i c mf i b e ri ss t u d i e d t h e m e c h a n i s mo fs b se f f e c to c c u r r e di nab o t d r s y s t e ma n dt h ea p p l i c a t i o np r o s p e c to f s b sa lee l a b o r a t e di nt h i st h e s i s w h e nt h ee x t i n c t i o nr a t i oo fe l e c t r o - o p t i cm o d u l a t o r i sf i n i t e ，t h es 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 gp r o d u c e db yt h ei n c i d e n tl i g h tp u l s ei s a m p l i f i e db yt h el e a k e dl i g h tt h r o u g ht h es b si n t e r a c t i o n ，w h i c hm a k e st h e b a c k s c a t t e r e dw a v e f o r md i f f e r e n to b v i o u s l yf r o mt h et r a d i t i o n a lb o t d rw a v e f o r m t h et i m ed o m a i ne x p r e s s i o no fs b sp o w e ri sd e r i v e da n dt h e ns i m u l a t e dn u m e r i c a l l y w i t hd i f f e r e n te x t i n c t i o nr a t i o t h ei n f l u e n c eo fs b se f f e c to nt h ep e r f o r m a n c eo f b o t d rs y s t e ma r ea n a l y z e da n ds i m u l a t e d f i n a l l y , w e 峨t h er a t i oo ft h es b s s i g n a lp o w e ri nu n k n o w ne n v i r o n m e n tw i t ht h a ti nk n o w ne n v i r o n m e n tt om o n i t o rt h e s b sp o w e rc h a n g ed u et ot h ei n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r ea n ds t r a i n o nt h eb a s i so ft h i s ， t h ep e r f o r m a n c e so ft h es b ss i g n a l - b a s e db o t d r s e n s i n gs y s t e ms u c ha ss i g n a lt o n o i s er a t i oa n dm e a s u r e m e n ta c c u r a c ya r ea n a l y z e d ，w h i c hd e m o n s t r a t e st h e s u p e r i o r i t yo fs b sa sas e n s i n gs i g n a l y a n gx i n g h o n g ( 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 y w o r d s ：o p t i c a lf i b e rs e n s i n g ，b o t d r ，s b s ，e o m ，e x t i n c t i o nr a t i o 声明户明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文( ( b o t d r 系统中的s b s 效 应及其传感应用的理论研究，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：j 岛型址日 期： 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：叠圣墨鱼三 日 期：业4 归“日 导师签名：兰燧 日 期：到掣心 华北电力大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 光纤传感技术是伴随着光导纤维及光通信技术的发展而逐步形成的。在光通信 系统中，光纤用作远距离传输光波信号的介质。但是，在实际光传输过程中，光纤 易受外界环境因素的影响，如温度、压力、电场、磁场等环境条件的变化将引起光 波参量如光强度、相位、频率、偏振态等的变化。因此，人们发现如果能测量出光 纤中光波参量的变化，就可以知道导致这些光波参量变化的温度、压力、磁场等物 理量的大小，于是出现了光纤传感技术乜1 。 光纤传感器作为七十年代发展起来的新型传感技术，与常规传感器相比，有很 多优点口1 ： 1 ) 光纤体积小，重量轻，传输损耗低，可以利用很长的光纤束来增大敏感范围，提 高灵敏度。 2 ) 电绝缘性能好，抗电磁干扰、雷电和噪声能力强，耐高温、抗腐蚀性能好。 3 ) 利用光波参数特别是相位变化来检测物理量使光纤传感系统能获得很高的灵敏 度。 4 ) 光纤本身既是探测元件又是传输元件，可以进行分布式测量。 由于光纤传感器的突出优点，使得其得到飞速的发展。自1 9 7 7 年美国海军研 究所开始执行光纤传感器系统的研究计划以来，已研制出多种光纤传感器，被测量 遍及位移、速度、加速度、液位、应变、流量、振动、水声、温度、电流、电压、 磁场和化学物质等。新的传感原理及应用正在不断涌现和扩大。 基于布里渊散射的分布型光纤传感技术是目前国际上非常重要和非常有前途 的一种新型测量技术“儿钉，也是国际上传感器研究最活跃的热点课题之一。该技术 在温度、应变测量上所能达到的精度、传感距离及空间分辨率等均高于基于瑞利、 拉曼散射的分布型光纤传感方式，并且能实现对温度和应变的同时传感。利用该传 感技术可对被测场的温度或应变情况进行在线监测，从而实现故障隐患及故障点的 快速、准确定位。因此，研究和开发布里渊分布型传感器，不仅有很高的学术价值， 而且具有广阔的市场应用前景。 1 2 布里渊分布型传感技术研究现状 分布式光纤传感技术是在2 0 世纪7 0 年代末提出的，它是随着现在光纤工程 中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。和准分布式光纤 华北电力大学硕士学位论文 传感技术相比，分布式光纤传感技术具有在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哺1 。分布式光纤传感器由于分辨率高、误差小，正逐渐受 到人们的青睐。它不仅具有普通光纤传感器的全部优点，而且充分利用了光纤一维 空间连续分布的特点，可以准确的测出光纤沿线上任一点被测量场在时间和空间上 的分布信息，能做到对大型基础工程设施的每一个部位像人的神经系统一样进行感 知和远程监测和监控，且不需构成回路，具有广阔的应用前景。特别是对于城市煤 气管道、城市输电通信缆线、海底输油气管道、海底输电通信缆线、水库水坝、 桥梁、隧道、高速公路、大型设施等建筑物的温度应变监测，目前尚未有一种传统 传感器能有效完成对这些长距离、分布式系统的传感，而分布式光纤传感器恰好具 有这种能力口儿引。由于分布式光纤传感器具有其他传感技术所无法比拟的优点，因 此成为目前传感技术研究领域的热点。从上世纪七十年代末提出到现在短短的三十 多年时间里，分布式光纤传感技术得到了很快的发展。 在分布式光纤传感系统中，基于瑞利散射和拉曼散射的研究已经实用化；基于 布里渊散射的分布式传感技术的研究起步较晚，但由于它在温度和应变测量上可以 达到或高于其它传感技术的精度、测量范围以及空间分辨率，它是长距离分布式光 纤传感器中最具实际应用前景的一种，因此得到广泛关注与研究阻1 。 目前，关于布里渊分布式光纤传感系统的研究主要集中在两种技术方案上：基 于布里渊光时域反射计( b o t d r ) 的光纤传感技术和基于布里渊光时域分析( b o t d a ) 的光纤传感技术。 1 2 1 基于b o t d r 的分布式光纤传感技术 基于b o t d r 的分布式光纤传感系统中测量的是自发布里渊散射信号( s p b s ) ， 从光纤的一端发射一个脉冲，同时在发射端检测背向布里渊散射信号，由于布里渊 散射信号的频移和强度受光纤所受到的温度和应变的影响，所以通过测量布里渊信 号的强度或频移就可以得到光纤的温度和应变分布信息。b o t d r 传感系统框图如图 卜1 所示。 图1 - i 基于b o t d r 的分布式光纤传感系统框图 由于自发布里渊散射信号非常微弱，检测比较困难，所以对b o t d r 的研究工作主 2 华北电力大学硕士学位论文 要集中在对自发布里渊散射信号的检测上。1 9 9 3 年k u r a s h i m a 等人首先利用相干检 测的方法实现了自发布里渊散射信号的温度应变分布式测量。它采用两台激光器分别 作为脉冲光源和抽运光源，二者的频差调到布里渊频移附近，这样可用窄带相干接收 机接收布里渊信号。实验测量1 1 5 7k m 长度的光纤，得到空间分辨率为1 0 0m ，温 度应变测量精度可达到士3 士6 1 0 。这种方法实现起来较为简单，但是对光 源稳定性要求较高。后来英国的t p n e w s o n 等人分别用f - p 干涉仪和m a c h z e h n d e r 干涉仪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 强度同时测量，实现了对温度和应变的同时测量。近几年h h k e e 和t p n e l s o n 等 人采用测量瑞利信号与布里渊信号的比( l a n d a u p l a c z e kr a t i o ) 的方法已经使空间 分辨率提高到了几十厘米的范围内n 训，但所实现的测量精度比较差。随后使用自发布 里渊散射和微波外差检测技术利用布里渊频移来获得温度变化信息，实现了传感距离 8 lk m ，温度分辨率5 ，空间分辨率3 0m 的测量。后又采用微波自外差检测方法 实现了传感距离3 0k m ，温度分辨率4 ，应变分辨率1 0 0 肛的测量。最近 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 ，空 间分辨率5 0m ，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 ，空间分辨率5 0m 。近年来，随着高灵敏度高带宽( 2 0g h z ) 的光 电探测器成为可能，日本的n t t 和a n d o 公司又在原有的b o t d r 技术基础上采用微波 相干外差技术和一个可调谐的电子振荡器联合开发出了一种新的b o t d r 技术。由于不 使用移频器，因此系统频率稳定度比以前更高，应变测量精度也可以提高到1 0ue ， 系统测量时间也大大减小，生产的b o t d r 已经大量应用在边坡、桥梁和隧道等工程的 的监测中。美国m i c r o no p t i c s 公司生产的b o t d r 传感器已经达到传感距离为3 0k m ， 应变分辨率为2 0us ，温度分辨率为l 的技术指标。 1 2 2 基于b o t d a 的分布式光纤传感技术 b o t d a 系统最初是由h o r i g u c h i 等人作为一种非破坏性的光纤损耗测量技术而 提出的n ，随后迅速发展为一种温度和应变传感技术。b o t d a 技术采用了布里渊放 大效应，典型结构如图1 - 2 所示。 图1 - 2 基于b o t d a 的分布型光纤传感系统基本框图 处于光纤两端的可调谐激光器分别将一脉冲光与一连续光注入传感光纤，当脉 华北电力大学硕士学位论文 冲光与连续光的频差与光纤中某区域的布里渊频移相等时，在该区域就会产生布里 渊放大效应( 受激布里渊散射) ，两光束相互之间发生能量转移。由于布里渊频移与 温度、应变存在线性关系，因此，对两激光器的频率进行连续调节的同时，通过检 测从光纤一端耦合出来的连续光的功率，就可确定光纤各小段区域上能量转移达到 最大时所对应的频率差，从而实现温度、应变信息的分布式测量2 引。 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 lk m 、温度精度为l 、空间分辨率为5m 的测量n 劓。由于布里渊频移不仅和温度有关，而且和应变有 关，x b a o 和s h i m i z u 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。 2 0 0 5 年x b a o 等人又用斯托克斯光信号强度对频率和位置求二阶偏微分的方 法，在入射脉冲宽度为2n s 的条件下，实现了空间分辨率为5c m ，压力分辨率为 1 6 | ls 的测量n ”。 1 2 3 基于b o f d a 的分布式光纤传感技术 b o f d a 分布式光纤传感技术是1 9 9 7 年德国o g a r u s 等人提出的一种新型的 分布式光纤传感技术n6 1 。系统框图如图卜3 所示： b o f d a 同样是利用布里渊频移特性来实现温度应变的传感，但其被测量空间 定位不再是传统的光时域反射技术，而是通过得到光纤的基带传输函数来实现的。 因此传感光纤两端所注入的光为频率不同的连续光，其中探测光与泵浦光频差约等 于光纤中的布里渊频移量z 一= 厶，探测光经过调制频率厶可变的电光调制器 进行幅度调制，对每一个确定的信号频率值，由光电探测器分别检测探测光和泵浦 光的光强，光电探测器的输出信号输入到网络分析仪，由网络分析仪计算出光纤的 基带传输函数。网络分析仪输出信号经模数转换后进行快速傅立叶反变换，其输 出信号 ( f ) 中即包含了沿光纤轴向的温度或应变分布信息。 原丽习-隔否网卜寸莎硫睬覆稠 上一上 面酾阮蕊丽 网络分析仪u 信号 图1 - 3 基于b o f d a 的分布式光纤传感系统框图 在b o f d a 系统中，系统的空间分辨率由调制信号的最大( f m m 缸) 和最小 ( 厶m i n ) 调制频率决定，最大传感距离由调制信号频率变化的步长筑决定。基于 上述原理，o g a r u s 等人做了基于b o f d a 分布式光纤传感系统实验方面的研究， 4 华北电力大学硕士学位论文 并取得了温度分辨率5 、应变分辨率0 0 1 和空间分辨率3m 的实验结果 【1 6 儿1 7 】 o 1 3 本文的主要研究内容 我们的前期研究8 1 证明了b o t d r 中的受激布里渊效应( s b s ) 和用于产生脉冲的 电光调制器( e o m ) 的消光比有关。e o m 是利用电光效应把连续光转换为脉冲光来实 现光调制的器件n 们，当e o m 的消光比有限时，其输出信号中包括连续光部分，称为 漏光，并可由消光比e r = l o l o g ( 只。伽+ 尼，) 只， 量化漏光强度，式中厶，棚尼，分别表 示脉冲峰值功率和漏光功率，可见，消光比越大漏光越小，反之亦然。实验中可通 过调节e o m 的直流偏置电压改变消光比水平。因为e o m 具有有限的消光比，漏光的存 在不可避免，该漏光必然会参与到系统中的布里渊散射过程中去，并对系统性能产 生影响；漏光与脉冲光产生的自发布里渊散射的相互作用是一种s b s 效应，由于布 里渊强度和频移都是温度和应变的函数，因此可以利用b o t d r 系统中的s b s 信号进行 温度和应变的传感，特别是与自发布里渊散射信号相比，s b s 信号的强度大，可获 得更高的测量指标，因此，可以提高系统的测量精度和空间分辨率，对探讨提高自 发布里渊散射分布型光纤传感系统性能的新方法、新途径具有很大的参考价值，值 得深入研究。 本文在深入研究布里渊散射分布型光纤传感原理的基础上，主要研究b o t d r 系 统中s b s 效应的产生机理及其在传感中的应用。具体内容如下： 1 ) 研究了布里渊分布型光纤传感技术的原理、特点以及发展概况。 2 ) 研究了布里渊散射的基本原理，进一步揭示了b o t d r 系统中s b s 效应的产 生机理及其对系统性能的提高所产生的作用，并进行了数值仿真。 3 ) 提出了在系统中s b s 效应不严重的条件下，利用该效应提高分布式温度和应变 传感系统性能的方法。 华北电力大学硕士学位论文 第二章光纤布里渊散射及b o t d r 传感原理 光纤布里渊散射理论是布里渊散射分布型光纤传感技术的基础。本章主要研究基于 b o t d r 的分布型光纤传感系统，所以本章中将对光纤布里渊散射效应原理，特别是对受 s b s 效应有关原理和实验进行了详细地介绍，并阐述了b o t d r 系统的传感原理。 2 1 光纤中的布里渊散射 2 1 1 光纤中的光散射 当光波射入介质时，若介质中存在某些不均匀性( 如电场e 、相位、粒子数密 度n 、声速v 等) 使光波的传播发生变化，有一部分能量偏离预定的传播方向而 向空间其他任意方向弥散开来，这就是光散射。光的散射现象的表现形式是多种多 样的，从不同的角度出发，可有不同的分类，但从产生的物理介质来看，可以分为 两大类n 引： 第一类：非纯净介质中的光散射 这种散射现象不是介质本身所固有的，而强烈地依赖于参杂进来的散射中心的 性质或介质本身的纯净度。其规律主要表现为：1 ) 散射光的频率与入射光的频率 相同；2 ) 散射光的强度与入射波长成一定关系。 第二类：纯净介质中的散射 即使所考虑的介质是由成分相同的纯物质组成，其中不含有外来掺杂的质点、 颗粒或结构缺陷等，仍然有可能产生光的散射现象，这些散射现象是介质本身所固 有的，与介质本身的纯净程度没有本质上的关系。属于这类纯净介质的散射现象有 如下几种： 1 ) 瑞利散射设介质由相同的原子或分子组成，由于这些原子或分子空间分布 的随机性的统计起伏( 密度起伏) ，造成电极化特性的相应的随机性起伏，而形成 对入射光的散射。这种散射现象的特点是散射光频率与入射光相同，在散射前后原 子或分子内能不发生变化，散射光强度与入射光波长的四次方成反比。 2 ) 拉曼散射这种散射现象通常发生在由分子组成的纯净介质中，组成介质的 分子是由一定的原子和离子组成的，它们在分子内部按一定的方式运动( 振动或转 动) ，分子内部粒子间的这种相对运动导致分子感生电偶极矩随时间的周期性调制， 从而可以产生对入射光的散射作用；在单色光入射的情况下，这将使散射光的频率 相对于入射光发生一定的移动，频移量正好等于上述调制频率，亦即与散射分子的 6 华北电力大学硕士学位论文 组成和内部相对运动规律有关。 3 ) 布里渊散射对于任何种类的纯净介质来说，由于组成介质的质点群连续不 断的做热运动使得在介质内始终存在着不同程度上的弹性力学振动或声波场。连 续介质的这种宏观弹性力学振动，意味着介质密度( 折射率) 随时间和空间的周期 性起伏，因而可对入射光产生散射作用，这种作用类似于超声波对光的衍射作用， 并且散射光的频移大小与散射角及介质的声波特性有关。 强 度 厶 图2 - 1 光纤中的光散射及频谱分布 由图2 - 1 可以看出在光纤背向散射频谱分布图中，激发线v 两侧的频谱是成对 出现的。在低频一侧频率为一a v 的散射光为斯托克斯( s t o k e s ) 光；在高频一侧 频率为v o + 血的散射光为反斯托克斯( a n t i s t o k e s ) 光，它们同时包含在拉曼散 射和布里渊散射谱中。 2 1 2 自发布里渊散射理论 自发布里渊散射过程如图2 2 所示，为简单起见，仅给出了s t o k e s 散射过程。 泵浦光 s t o k e s 散射光黔吨 图2 - 2 自发布里渊散射过程示意图 可从力学和量子物理学两个方面阐述自发布里渊散射过程。 1 ) 根据力学经典理论，在入射光功率不高的情况下，光纤材料分子的布朗运 动将产生声学噪声。当这种声学噪声在光纤中传播时，其压力差将引起光纤材料折 射率的变化，从而对传输光产生自发散射作用。同时声波在材料中的传播将使压力 ， 华匕电力人学硕+ 学位论文 筹及折射率变化呈周期件，阍期性结构运动导致散射光频率相对于传输光有一个多 普勒频移，这种散射称为白发布罩渊散射。 2 ) 根据量子物理学理论一个泵浦光子转换成个新的频率较低的s t o k e s 光 子同时产生个新的声子；同样地，一个泵浦光子吸收一个声子的能量转换成。个 新的频率较高的a n t is t o k e s 光了。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，其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。 213 受激布里渊散射 2131s b s 原理 自发布罩渊散射可以看作是一种在泵浦光功率不太高的情况下所产生的一种非 线性自发光散射过程。由于构成光纤的硅材料是一种电致伸缩材料，当大功率的泵 浦光在光纤中传播时，产生电致伸缩效应，其折射率会发生改变，从而导致大部分 传输光被转化为反向传输的散射光，产生另外一种布里渊散射过程，即受激布里渊 散射。 j 4 ，| 翻j y jj 驴1 ：盘 j 4 _ 产一打硝 敲s t o 射k e 光s 一、 n m n m n nn nn m r s t o k 船光与 r ”i i 溯 蘼鏊蘑舅卜 布里渊散射 7 7 、。 禽禽 l 一 相q 作心与电致忡缩敬市 图2 受激布早渊散射过程示意图 声波 受激布，靼渊敞射是光纤巾一种重要的受激非弹性散射，散射过程显示了很强的 受激特性：散射的强度高和方向性强。物质激发对应于介质中的声波激发，这种声 华北电力大学硕士学位论文 波激发与介质中的密度变化直接有关，它起因于介质中的电致伸缩或吸收效应乜引。 所谓电致伸缩效应，是指介质在外电场存在时，由于能量变化，使得有电场的区域 受到压缩，导致密度增大，而密度的增大又会引起介电常数的改变。介质中运动声 波的存在最终导致有频移的s b s 的产生。由于一些介质具有很高的s b s 增益系数， 因此在实验中易于获得强的背向s b s 输出。 光纤中受激布里渊散射过程如图2 - 3 所示，当泵浦光在光纤中传播时，其自发布 里渊散射沿泵浦光相反的方向传播，当泵浦光的强度增大时，自发布里渊散射的强 度增加，当增大到一定程度时，反向传输的s t o k e s 光和泵浦光将发生干涉作用， 产生较强的干涉条纹，由于电致伸缩效应，使光纤局部折射率大大增加。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，同时， 激发出来的散射光又使声波加强，如此相互作用，产生很强的s b s 。相对于光波而 言，声波的能量可以忽略，因此在不考虑声波的情况下，s b s 过程可以概括为频率 高的泵浦光的能量向频率低的s t o k e s 光转移的过程。这样，受激布里渊散射可以 看成是在仅有泵浦光存在的情况下在电致伸缩材料中传播的s t o k e s 光经历了一个 光增益的过程乜。在受激布里渊散射中，虽然理论上反斯托克斯和斯托克斯光都存 在，一般情况下只表现为斯托克斯光。 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 了一个s t o k e s 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 q 口= 国p qk 。= k p k ， ( 2 1 ) 式中，。和国。分别为泵浦光和s t o k e s 光的频率，k 。和k ，是泵浦光和s t o k e s 光的 波矢，声波频率q 。和波矢k 。满足色散关系 q 口= y k 口i 2 v 。l k i 口i s i n ( 0 x ) ( 2 2 ) 式中，口为泵浦光与s t o k e s 光之间的夹角，并且利用了i k ，l i t l 的关系。式( 2 2 ) 表明，s t o k e s 光的频移与散射角有关，更准确地说，在后向( 0 = 庀) 有最大值， 在前向( 目= 0 ) 为零。在单模光纤中，只有前后向为相关方向，因此，s b s 仅发生 在后向，且后向布里渊频移为他们 = q 口2 万= 2 nv 。旯p ( 2 3 ) 式( 2 3 ) 中，利用了i k ，i = 2 7 叫兄，雅为在泵浦波长元p 处的折射率。若取= 5 9 4 5 m s ，忍= 1 4 5 ，则对于石英光纤，在旯。= 1 5 5 0n m 附近，i ，置“g h z 。 尽管式( 2 - 3 ) 预测布里渊散射仅在后向发生，但在光纤中自发布里渊散射在 前向也能产生，这是由于声波的波导特性削弱了波矢选择规则，结果前向产生了少 量的s t o k e s 光，这一现象称为传导声波布里渊散射 2 2 o 实际上，前向s t o k e s 频谱 9 华北电力大学硕士学位论文 在1 0 - - 1 0 0m h z 频移范围内表现为多重线，由于它非常弱，特别是它不携带分布型 传感所需的位置信息，本文不再进一步讨论。 2 1 3 2s b s 阈值 阈值特性是s b s 的重要特性之一，即只有当入射激光强度超过一定的激励阈值 后，s b s 才会发生。s b s 的阈值泵浦功率是指输出的斯托克斯光功率与泵浦光功率 相等时的输入端泵浦光功率，由此可得到发生在临界泵浦功率足处的布里渊阈值计 算公式为n 2 1 乞= 薏 浯4 ， gb l 研 。 式中，g b 为布里渊增益峰值，彳谚为有效纤芯截面积，b 是光纤的有效作用长度， 其计算公式为 易= 1 一e x p ( 一钇) 】口 ( 2 5 ) 式中，是光纤长度，口是光纤衰减系数。 若波长以2 1 5 5 0n m ，利用典型光纤的参数值：如2 5 0 岬2 ，易2 0k m ，踟2 5 1 0 叫1m w ，则由式( 2 4 ) 预测其临界泵浦功率易约为im w 。由于受激布里渊阈 值如此之低，因而使s b s 成为光纤中主要的非线性过程。 式( 2 - 4 ) 预测的s b s 阈值只是一个近似值，而在实际中，很多因素会造成有效 布里渊增益降低。例如，当泵浦光完全无规则偏振时，s b s 阈值增大5 0 ；光纤掺 杂浓度的径向变化会导致该方向上声速的微小变化，结果使s b s 阈值在一定程度上 与制造光纤时光纤掺杂浓度的变化有关乜，光纤沿纵向的非均匀性也会影响光纤中 的有效布里渊增益。 在基于自发布里渊散射的分布型光纤传感系统中，主要是利用自发布里渊散射 来实现传感。为了提高测量系统的信噪比，往往希望在不发生受激布里渊散射的情 况下在传感光纤中注入尽可能大的泵浦光功率，以得到尽可能强的自发布里渊散射 信号。对于不同的光纤，受激布里渊散射阈值是不同的，因此，有必要对传感光纤 的受激布里渊散射阈值进行研究，以便确定系统适当的入纤功率。 2 1 3 3s b s 阈值的测量 传统的测量s b s 阈值的方法是采用对光纤的传输光和背向散射光的测量来确定 其大小，得到传输光功率、背向散射光功率与入射光功率之间的关系。 受激布里渊散射阈值测量系统如图2 - 4 所示。激光器选用s a n t u r 公司 t l 一2 0 2 0 一c 一1 0 2 a 型波长可变半导体激光器，连续光输出功率约为2 0m w 。可调衰减 1 0 华北电力大学硕士学位论文 器的衰减范围为0 , - v 3 5d b 。光功率计选用武汉奥林特光电设备有限公司p m 3 2 h 型光 功率计，功率测量范围为一6 0 + 2 5d b m 。首先将可调衰减器的衰减调到最大，然后 打开激光器，通过可调衰减器和耦合器将一连续光注入到光纤中，用光功率计在位 置1 处测量光纤的传输光功率、位置2 处测量入射光功率、位置3 处测量散射光功 率。通过可调衰减器调节注入到光纤中的光功率，实现受激布里渊散射阈值的测量。 光纤 i 糌 督 米 镔 迎 图2 - 4s b s 阈值测量系统框图 碟 哥 殍 迎 法 薄 橱 鼍 入射光功率岬矿 图2 - 5 传输光、背向散射光与入射光功率之间的关系 采用对光纤的传输光和背向散射光进行测量的方法可以确定s b s 阈值的大小。选用 g 6 5 2 光纤作为被测光纤，绘出传输光功率、背向散射光功率与入射光功率之间的 关系曲线，如图2 - 5 所示。由图可见，随着入射光的增加传输光功率也在变大，但 是当入射光功率超过4 6m w 后，传输光出现了饱和的趋势。背向散射光随着入射 光的增加缓慢增长，但当入射光功率在4 6m w 附近时，背向散射光功率开始迅速 增加。根据背向散射光开始迅速增加或者传输光开始出现饱和时的入射光功率即为 受激布里渊散射阈值的定义，可以得到g 6 5 2 光纤的s b s 阈值约为4 6m w 。使用相 同的方法测得大有效面积光纤g 6 5 5 的s b s 阈值约为1 2 6m w 。 华北电力大学硕士学位论文 2 1 3 4s b s 类型 光纤中的s b s 效应依传统理论可分为两种类型眙钉： 1 ) 如果只有泵浦光注入光纤，那么s t o k e s 光将在光纤中通过热激发噪声波引 发的自发布里渊散射而产生，并被不断放大，当泵浦光超过s b s 阈值时，就形成s b s ， 可以把这种情况叫作噪声起振，即所谓的s b s 发生器情形。 2 ) 如果在泵浦光作用的同时，还持续作用着一束与泵浦光反向的s t o k e s 光， 这种情形可叫作s t o k e s 种子光辅助起振，即所谓的s b s 放大器情形。传统的分类忽 略了泵浦光与其反射光的相互作用。实际上，当高功率泵浦激光入射到光纤时，反 射光是不可避免的，并且沿泵浦光的光路反向传播，按照傅里叶分析，反射光里必 包含着具有s t o k e s 种子光频率的振荡成分，这些成分和泵浦光相互作用，形成一种 特殊的s b s 振荡过程，可称之为自供种子光模型过程。 下面通过耦合波方程组对s b s 过程进行简要的说明。 s b s 效应可以用个含时变的三维非线性偏微分方程组来描述乜幻，但就目前理 论的发展水平而言，直接对其进行解析求解是不可能的，所以人们发展了各种不同 的近似方法和数值计算方法。根据泵浦脉冲宽度与声子寿命的大小关系相比较，s b s 又可分为以下两种比别： 1 ) 瞬态s b s 的耦合波方程组 由于光纤中的声子寿命为2 1 0n s ，一般当泵浦脉冲宽度为几十纳秒或更小 时，即声子寿命与泵浦脉冲宽度具有相当的数量级，则不能忽略光场振幅的时间变 化，应该将光纤中的布里渊散射过程作为瞬态过程来处理。这种情况下描述光纤中 s b s 效应的理论称为s b s 瞬态理论。 根据s b s 瞬态理论，泵浦场和s t o k e s 场由麦克斯韦波动方程描述，光纤中的声 波场由纳维一斯托克斯( n a v i e r - s t o k e s ) 能量传输方程给出，略去频率为零及二倍 频光场项，认为它们对布里渊共振激发不起作用，并利用慢变振幅。瞬态s b s 近似 可表示成由三个含时方程组成的耦合波方程组，是基于a f s h a a r v a h i d n 列改进的s b s 数学模型，即 ) e p = 哲。q e , + 圭呜 p 一地巨一吉噶 ( 2 _ 6 ) = 一i 9 2 e p e ： 式中e p 、巨和q 分别表示泵浦光、s t o k e s ) 匕、声波场振幅；r = 1 2 r 表示声子衰减 1 2 a一挑a西户 万一c 万一c r 一 + + a一瑟a一如a一街 华北电力大学硕士学位论文 系数，f 为声子寿命；g 。和g ：代表s b s 过程的声光耦合系数；，l 为光纤折射率；c 为 真空光速；口为光纤衰减系数。式( 2 - 6 ) 可采用有限差分方法编程进行数值求解n 羽， 由于方程组的求解过程十分复杂，此处不再赘述。 2 ) 稳态s b s 的耦合波方程组 当泵浦脉冲宽度比声子寿命大很多时，比如泵浦脉宽达1 0 0n s 或更宽，s b s 过 程随时间变化不大，这样可以近似认为泵浦场、s t o k e s 场和声子场的振幅是不随时 间变化的，这种情况称为s b s 稳态理论。在稳态或缓变情况下略去时间导数和空间 二阶导数项，消去方程中声波场变量，考虑到声波频率比光波频率小很多，则有 功国，因此，可将光场振幅的耦合波方程组改写为 誓一d + 扛 7 ， 誓_ c 剁一丢幔 其中k = f 缈2 k 2 y 2 3 2 a n c p o ，布里渊线宽f 与声子寿命f 的关系为f = 广1 。若采用光 强j = 疗c 例2 8 万，可由式( 2 7 ) 得到泵浦光，和s t o k e s 光l 的强度耦合方程 i d i p = 一“t 一吐 ( 2 8 ) i i s = 一g b ip is 七磁l 其中g 口= 形( 万c 3 风屹r ) 为稳态s b s 增益系数。由式( 2 8 ) 可知，入射光强沿 前进方向逐渐减弱，而斯托克斯散射光则沿入射光前进的方向传播而逐渐增强，这 种增强作用正比于入射光强。 2 2b o t d r 分布型传感系统原理 2 2 1o t d r 测量原理 图2 6 基于o t d r 的分布型传感原理 华北电力大学硕士学位论文 基于o t d r 的分布型传感原理如图2 6 所示，要实现徐布型传感功能需要对被测 量点进行定位，并对散射光的强度或频率进行测量，下面先介绍一下o t d r 系统。 2 2 1 1 散射点的定位 图2 6 中，光源发出的脉冲光在光纤中传输的同时，不断产生背向瑞利散射光， 由时钟电路计算入射光和接收到散射光的时间差，可实现散射点的定位。假设在t = o 时刻，脉冲光入射到光纤，经过时间t 在发送端接收到散射光，则光传播的距离为 z = ( c n ) x t ( 2 9 ) 其中，c 为真空中的光速，挖为光纤的折射率。 散射光沿与入射光相同的路线返回，则散射点所处的位置为 d = z 2 = c t 2 n( 2 - 1 0 ) 这样便实现了散射点的定位。 2 2 1 2 散射光功率的测量 假设在理想情况下，光纤结构均匀且没有受到外界调制作用，可以认为光纤的 吸收损耗和散射损耗系数均为常数，此时光在光纤中的功率可表示为