（物理电子学专业论文）光纤传感系统中的信号处理研究.pdf

华中理工大学博士学住论文 摘要 精号处理熏接关系到先纤抟蒋系统的检测灵敏度、精度、响应时闻、稳定性和 可靠性等一系列重要性能指标，涉及到能否对被测量作出客观、准确的反映和评价， 是光纤抟感系统的核心。i 本文基于作者承担的几个谭题的研究工作，探讨了几种典 型匪其应用价馕的信号处理方法，研究了其理论与麻用技术，这对光纤传感是堑关 重要的。本论文主要的创新性工作如下所述： l 、对光纤电流传感系统的嚣种误差因素进行了综合分析，针对毙纤电流倍感系 统研究中存在的问题提出了一项嗣家发明专利，具有偏振奋与温度自动补偿 功能； ， 2 、实际研制了一个先纤电流传感实验系统，编制了功能莠全的系统软僻b 隧实 验验证对影响系统性能的偏振噪声、光耦台噪声以及温度漂移等有明显改善；r 一 3 、提出并研制了一种适翔于喇曼散射分布式光纤传感的低损耗、高抑制比波分 复用分光器件，熊够有效地提取数据光纤中的后翔喇曼散射傣息： 4 、从理论与实验上研究了数据光纤后向散射光谱特性，测试获得了数据光纤连 续后向瑞利散身| ，斯托克斯与反斯托壳斯散射光谱，分析了舞向散射光谱及 其温度特性随激发光源性能的变化，为系统信号处理提供了可靠数据； 5 、分析了数据光纤届向喇曼散射光时域响应熊线特征，提出了厦卷积变换的思 想，能够在较宽豹光脉冲下使“温度空问蛹应”性能获得较大改善： 6 、研制了分布式光纤感温报警系统编制丁功能齐全灼系统软件并全面优化系 统性能指标趟空过现场检验，该系统技术指标达到目前国外同类产品技术水 平，已经获得实际应用；j 一， 7 、系统垒面地进行了光波导s p r 效应的理论研究和实验分橱。建立了光波导s p r 效应计算分柝模型，对不阉结构的传感器进行优纯设计制罄了倍感头，研 制出光波导s p r 水质传感实验系统，井进行了实验测试，在国内首次实现光 渡导s p r 豹光学激发。观测到其蜜验现象，研究成果通过了围家科学仪器拜 技攻关计划重点项目立项论证；， 8 、探讨了光开关在多路光纤传感系统中的应用，研制了一种基于s o a 的有源 光开关，够弥补常规光开关造成构光路损耗弗提出了一种提取光歼荚控 制命令信息的新方法。 关键调光纤传感，信母处理，电流，分布式温度，火灾报警s p r ，水质分析，光开关。 华中理工大学博士学位论文 h h _ - _ - _ - _ - _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ - - - _ _ - - _ - - _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ - - 一 a b s t r a c t s i g n a lp r o c e s s i n gi st h ec o r eo faf i b e r - o p t l cs e n s i n gs y s t e m ，w h i c hi sd i r e c t l yr e l a t e d w i t has e r i e so fi m p o r t a n tp e r f o r m a n c e so ft h es y s t e m ，s u c ha ss e n s i t i v i t y , p r e c i s i o n ， r e s p o n s et i m e 。s t a b i l i t y , a u dr e l i a b i l i t y , a n di sa l s oc o n c e r n e dw i t l lt h ea c c u r a c ya n d o b j e c t i v ee v a l u a t i o no ft h em e a s u r e m e n t s s e v e r a lt y p i c a la n dp r a c t i c a lm e t h o d sf o rt h e s i g n a lp r o c e s s i n gi n c l u d i n gt h et h e o r i e sa n dt e c h n i q u e sa r ed i s c u s s e di nf t f i st h e s i sb a s e d o nt h er e s e a r c ho ft h ep r o j e c t su n d e r t a k e nb yt h ea u t h o r t h em a j o ri n n o v a t i v ew o r k si n t h i st h e s i se l s ep r e s e n t e da qt h ef o l l o w i n g ： 1 ) v a r i o u se r r o rf a c t o r st h a ti n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c eo fa no p t i c a lf i b e rc n r r e f l t t r a n s d u c e r ( 0 f c ns y s t e mh a v eb e e ns y n t h e t i c a l l ya n a l y z e d an a t i o n a li n v e n t i o n p a t e n ti sp a tf o r w a r dt os o l v et h ep r o b l e m s ，w h i c hh a st h ea u t o - c o m p e n s a t i o n f u n a t i o nf o r t h ed i s t u r b a n c eo ft h ep o l a r i z a t i o no fs t a t ea n dt h ed r i f to ft h e t e m p e r a t u r e 2 ) ap r a c t i c a lo f c tn t e a s u r e f f l e n ts e t u pw i t hc o m p l e t ef u n c t i o n a ls o f t w a r eh a sb e e n d e v e l o p e d 两ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a ti t i sv e r ye f f e c t i v ew i t ht h i sp a t e n tt 0 s u p p r e s st h ep o l a r i z a t i o nn o i s e t h eo p t i c a lc o u p l i n gn o i s ea n d wt e m p e r a t u r ed r i f t n o i s ea n d t og r e a t l yi m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c e s 3 ) t h es p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h eb a c k ，s c a t t e r i n gi nad a t af i b e rh a v eb e e ns t u d i e d t 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 es p e c t r ao ft h ec o n t i n u a lr a l e i g hs c a t t e r i n g , s t c c k e ss c a t t e r i n ga n da n t i - s t o c k e ss c a t t e r i n gh a v eb e e no b s e r v e di nt h e e x p e r i m e n t s t h er e l a t i o n s h i po fb a c k - s c a t t e r i n gs p e c t r aw i t ht h ev a r i a t i o no ft h e w o r k i n gc o n d i t i o no ft h ee x c i t i n gl i g h ts o b r c eh a sa l s oh e e na n f l y z e d ，w h i c h p r o v i d e t h eu s e f u ld a t a f o rt h es i g n a lp r o c e s s i n g 4 ) aw a v e l e n g t h d n i s i o n - m u l t i p l e x i n g ( w d m ) l i g h t - s p l i t t i n gd e v i c ew i t hl o wl o s s j o 华中理工大学博士学位论文 a n dh i g hs u p p r e s s i o nr a t i of o rr a l e i 出s c a t t e r i n gh a sb e e nd e s i g n e da n df a b r i c a t e d ， w h i c hi ss u i t a b l et ot h er a m a n s c a t t e r i n gt y p ef i b e r - o p t i cd i s t r i b u t e dt e m p e r a t u r e s e n s o r s w i t ht h i sd e ：v i c ei t i sm o r ee f f e c tt oe x t r a c tt h ei n f o r m a t i o no ft h eb a c k r a m a n s c a t t e r i n gi nt h ed a t af i b e r 5 1t h e p r o p e r t i e so f t h et i m ed o m a i nr e s p o n s ec u r v eo f t h eb a c kr a m a n - s c a t t e r i n gi na d a t af i b e rh a v eb e e na n a l y z e d am e t h o do fr e v e r s e c o n v o l u t i o nt r a n s f o r mi sp u t f o r w a r db yt h a tt h es p a c er e s o l u t i o no ft h es y s t e mc o u l db ei m p r o v e dg r e a t l yi nt h e c a s eo faw i d e rw i d t ho f t h eo p t i c a lp u l s e ap r a c t i c a lf i b e r - o p t i cd i s t r i b u t e dt e m p e r a t u r es e n s i n ga n da l a r m i n gs y s t e mw i t h c o m p l e t ef u n c t i o n a ls o f t w a r ea n de x c e l l e n tp e r f o r m a n c e sh a sb e e nd e v e l o p e d t h e t e s t i n gr e s u l t ss h o w t h a tt h et e c h n i c a ld a t ap a r a m e t e r so f t h es y s t e mh a v er e a c h e dt o t h el e v e lo f p r e s e n tf o r e i g ns i m i l a rp r o d u c t s 7 ) t h ew a v e g u i d es u r f a c e - p l a s m o n r e $ o n d j l c e ( s p r ) e f f e c ti ss t u d i e da n da n a l y z e d t 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 em o d e lf o rc a l c u l a t i n ga n da n a l y z i n gt h e w a v e g u i d es p r e f f e c ti se s t a b l i s h e d t h es e n s o r sw i t ht h eo p t i m i z i n gc o n f i g u r a t i o n p a r a m e t e r sa r ed e s i g n e da n df a b r i c a t e d as e t - u pf o rm e a s u r i n gt h es p re f f e c ti s e s t a b l i s h e d 谢t l lw h i c ht h eo p t i c a le x c i t i n go ft h ew a v e g u i d es p ri sr e a l i z e da n d t h ee x p e r i m e n t a lp h e n o m e n o no b s e r v e di naw a t e r - a l c o h o lm i x t u r e 8 ) t h ea p p l i c a t i o no fa l lo p t i c a ls w i t c hi nam u l t i - c h a n n e ls e n s i n gs y s t e mh a sb e e n d i s c u s s e d an e w - t y p ea c t i v eo p t i c a ls w i t c hb a s e do nt h es e m i c o n d u c t o ro p t i c a l a m p l i f i e ri sd e v e l o p e d ，w h i c hc a l lc o m p e n s a t et h el o s si nac o m m o no p t i c a ls w i t c h an e wm e t h o df o re x t r a c t i n gt h ec o n t r o ls i g n a lo f o p t i c a ls w i t c hi sa l s og i v e n k e yw o r d s tf i b e r - o p t i cs e n s o r s ，s i g n a lp r o c e s s i n g ，c u r r e n t ，d i s t r i b u t e dt e m p e r a t u r e ， f i r ea l a r m i n g ，w a v e g u i d es p r ，w a t e r q u a l i t ya n a l y s i s ，o p t i c a ls w f f c h _ v 华中理工大学博士学位论文 前言 本文内容涉及到作者近几年所从事的几种光纤传感与通信系统方面的研究工作， 分别得到国家高技术研究发展计划、国家科学仪器科技攻关计划、教育部“跨世纪 优秀人才培养计划基金”和“留学回国人员科研启动基金”、湖北省自然科学基金以 及深圳华为技术有限公司、南京消防( 集团) 公司和本溪通用电子设备总厂等部门 与企业的资助。 本世纪7 0 年代光导纤维的迅速发展，一方面促进了通信领域的技术革命，另 方面也随之诞生了一门新兴学科：光纤传感。光纤本身具有“感”或“传”的功能， 或二者兼而有之。光纤传感是利用在光纤中传播的光信号的光学特性随外界环境参 数变化来进行感测的技术。光纤传感技术涉及到一个极其广泛的研究领域，本论 文结合作者所主持和承担的“综合补偿型光纤电流传感器”、“分布式光纤感温报警 系统”、“一种新颖的光波导水质传感器”以及“基于半导体光放大器( s o a ) 的有 源光开关”等研究项目，探讨了j l 种典型且具应用价值的光纤传感系统信号处理方 法，这对光纤传感是至关重要的，它涉及到能否对被测量作出客观、准确的反映和 评价。全文内容按以下章节组织： 第一章概略地介绍了光纤传感技术的基本原理与特征，介绍光纤传感系统信号处 理技术的基本思想，说明了本文的主要研究工作内容与研究目标。 第二章论述了光纤电流传感的基本理论与关键技术，应用琼斯矩阵分析了块状法 拉第磁光玻璃传感头的保偏性能研究了o c t 典型系统结构，指出了应用中存在的 问题。 第三章针对光纤电流传感系统应用中存在的问题，提出了各种补偿技术与信号处 理方法，包括偏振态补偿、温度补偿、光耦合效率改善等等，并依据理论分析结果 华中理工大学博士学位论文 设计了一种具有综台补偿功能的光纤电流传感系统，测试分析了系统帮体性能。 篇四章介绍数据光纤中的自发喇曼散射的理论、谕度特性及其应用。研制了一种 低损耗、高抑制 t 波分复用( w d m ) 分光器件，用隧有效地提取自发喇曼散射信息。 利用高功率连续光注入，研究了数据光纤中自发喇曼散射的温度特性。 第五章介绍了分布式光纤传感技术在火灾监控领域中的应用，重点论述作者研制 的喇曼散射型分布式光纤感温报警系统的理论设计与信号处理方法。该系统采用了 w d m 光谱分光器件、反卷积变换、实时事件搜索和补偿等先进技术，使系统整机 性能得到极大提高，初步实现了实用化，已经获得实际应用。 第六章论述了光纤传躲技术在环境检测中的应用，特别是用于城市地下水、地表 水与江河湖海水污染监测，这是秘前引起世界范围充分重视的研究潆遥，欧共体 1 9 9 8 2 0 0 0 研究与发展第五框架计划将改善水质监测技术作为一个极为重要的研究领 域予以资助，总投资计划超过2 6 亿欧元。这一领域在我国也同样是个重要的研究 课题。在这一章中还具体介绍了作者在光波导袭面婶离子谐振水质传感方面所做的 理论与实验工作，论述了角度检测和波长检测等相关方法与技术。 第七章缩合多通道光纤传感系统的应用，介绍了作者研制的基于半导体光放大器 r s o a ) 的有渊光开关，提出了一种新颖的光开关控制信号提取技术。 最扁，论文总结概述了作者通过本论文工作所获得的结论与成果。 华中理工大学博士学位论文 第一章绪论 本章简要介绍光纤传感系统的基本原理及其信号处理方法的基本思想，指 l 对于光纤传感系统 信号处理而言，稳定性应是所谓“4 s + r ”技术中应该优先考虑的关键因素。有关本论文的目标及任 务也在本章中给出。 1 i 光纤传感系统概述 在人类即将迈入二十一世纪之际，我们的社会正在迎接一场信息技术革命，其主要内涵包 括信息基础技术( 微电子技术；光子技术；光电子技术；分子电子技术) 、信息系统技术( 信 息获取技术；信息处理技术；信息传输技术；信息控制技术) 以及信息应用技术( 工厂自动化 “f a ”；办公室自动化“o a ”：楼字自动化“b a ”；家庭自动化“h a ”) 。其中传感器技 术是感知获取信息的窗口，它处于研究对象与传输处理系统的接口位置，被比喻为电子计算机 实现智能化处理的“五官”。光纤传感器是传感器家族中的一个成员，而且是一个非常重要的 成员，与传统传感器不同，它是以光纤作为信息的敏感元件和传输媒质、以光波作为载体的一种 传感器，是光纤在非通信领域的重要应用。 与传统传感器相比，由于光纤优良的物理、化学和传输性能，使得光纤传感器具有许多传 统传感器无法比拟的优越性和独特的性能： 1 ) 灵敏度高； 2 ) 频带宽、测量动态范围大； 3 ) 抗电磁干扰、耐高压、耐腐蚀、保密性好，可安全工作于易燃易爆环境； 4 ) 质轻体小，可挠曲，几何形状具有多方瑶的适应性： 5 ) 响应速度快，与计算机相结合能实现实时在线测量和自动控制。 自七十年代问世以来，光纤传感器的研究、开发和应用取得了长足的进展。迄今，己经证明 光纤传感器可以应用于位移、振动、转动、压力、弯曲、应变、速度、加速度、电流、磁场、 电压、温度、声场、流量、浓度、p h 值等七十多个物理量的测量。在许多工业应用领域，光 纤传感器开始取代传统传感器。市场销量稳步增长，从1 9 8 8 年的3 7 0 0 万美元到1 9 9 8 年的 9 6 1 亿美元，年增长速率达到3 8 5 ，预期到2 0 0 0 年将达到2 0 亿美元”“j 。 光纤传感技术与日臻成熟的光纤通信技术相结合还可构成光纤遥感系统，实现远距离传感 测量和控制。光纤传感系统的基本结构包括光发射机、传输光纤、传感头、光接收机以及信号 处理等部分，如图l - 卜l 所示。系统的基本工作原理是通过检测光波参数( 如光强，、频率 、波长五、相位庐以及偏振态等) 随外界被测参数的变化而达到检测外界被测参数的目的。 由光发射机输出的光信号经光纤耦合传输到传感头，在传感头内，外界被测参数与光相互作用， 使光波参数发生变化，成为被调制的光信号，因此传感头相当于调制器。经过外界被测参数调制 华中理工大学博士学位论文 的光信号再经光纤耦合传输到光接收机，并经信号处理解调而获得被测参数。其中，光发射机 相当于一个信号源，负责信号的发射：光纤是传输媒质，负责信号的传输：传感头感知外界信息， 相当于调制器：光接收机负责信号的转换，将光纤送来的光信号转换成电信号：信号处理屯路的 功能是还原外界信息相当于解调器。 图1 ，卜l 光纤传感系统基本结构 调制与解调技术是光纤传感的主要研究内容。按照传感系统工作原理可分为功能型光纤传 感器和非功能型光纤传感器两种。所谓功能型光纤传感器是利用对外界信息具有敏感能力和 检测功能的光纤( 一般是非通信用的特殊光纤) 作为传感元件，“传”和“感”合为一体，光纤不 仅传输光波而且感知被测参数的变化。因此，在功能型光纤传感器中，光纤本身就是敏感头， 光纤自身特性参数( 如折射率、散射系数、光损耗系数等) 的变化是外界待测参数变化的函 数。在非功能型光纤传感器中光纤只作为传光媒质，对外界信息的感知是通过附加的与光纤耦 合的功能元件来完成的，也就是说敏感头不再是光纤，而是传统的光物理或光化学敏感元件， 外界待测参数改变这些元件的光学性能，包括光的透射与反射、吸收、荧光、磷光、偏振、光 纤弯曲损耗、化学与生物活性以及光谱共振效应等等。 按光波参数调制形式的不同，光纤传感器又可以分为强度调制光纤传感器、频率调制光纤 传感器、波长( 颜色) 调制光纤传感器、相位调制光纤传感器和偏振调制光纤传感器。其中强 度调制与相位调制是两种最基本的形式。在强度调制中，待测参数的变化被转换为光纤中传播 光的强度( 光信号幅度或光功率) 的变化。通常这种传感器采用多模光纤以及结构简单、成本 低廉的非相干光源( 如l e d ) 。这种调制形式的探测灵敏度岛一般可表述为： 耻塞( 1 1 - 1 ) 式中a 是光纤中传播光信号的幅度，x 是外界待测参数。外界待测参数也可以通过一个中间过 程变量，作用于光纤，这时，( 1 1 1 ) 式可改写成： 2 华中理工大学博士学位论文 。d ad j 月2 i ( 1 卜2 ) h x 在相位调制中，待测参数的变化被转换为光纤中传播光的相位的变化。由于光波长极短， 使得相位调制光纤传感器的探测精度与灵敏度都极高。光波的任何相位变化都是相对于参考相 位而言的，因此相位调制光纤传感器必须设计成信号光路与参考光路的形式( 如m i c h e l s o n 、 m a c h - z e h n d e r 、f a b r y - p a r o t 以及s a g n a c 等干涉仪结构) 。而且，必须采用相干光源与单模光 纤。这些因素导致相位调制光纤传感器结构复杂、成本昂贵。在光纤中光信号的相位变化体现 在光程( 传播距离或折射率) 的变化。可用数学语言描述其探测灵敏度品表示为： & = x l 塑出+ x n e ，l d x黜 其中l 是信号光路光纤长度，”是光纤折射率。 离而检测光纤折射率变化均可以实现相位调制。 测参数的影响。 ( i 1 3 ) 固定折射率而检测传播距离变化或固定传播距 在两种情形中都必须保证参考光路不受外界待 光纤传感器的主要应用领域包括；军事传感器( 光纤制导武器、光纤陀螺、光纤水听器、 光纤加速度计、光纤压力传感器、光纤灵巧蒙皮、光纤战地化学传感器等等) 、工业传感器 ( 分布式温度和应力传感、光纤机器人、智能制造与柔性加工、电力继电保护与火灾报警、发 动机内部故障诊断、智能大厦等等) 、光纤医用传感器( 胃镜、神经修复、外科手术监测、大 脑成像诊断等等) 以及光纤环境监测传感器( 水质及有害气体监测) 。特别是在电力、环保和 生物医学领域，光纤传感器与传感系统已经或正在进入实用化研究开发阶段。 1 2 光纤传感系统中的信号处理方法 与任何其它传感技术一样，光纤传感系统的性能取决于所谓的4 s + r 技术，即：敏感性 ( s e n s i t i v i t y ) 、选择性( s e l e c t i v i t y ) 、稳定性( s t a b i l i t y ) 、标准化( s t a n d a r d i z a t i o n ) 以及可 靠性( r e l i a b i l i t y ) 。 对于光纤传感器而亩，其敏感性与选择性由其自身性能而一般能够得到保证。采取一定的 措施也可以满足标准化与可靠性的要求。因此，稳定性是光纤传感器实用化需要解决的最关键 问题。在光纤传感系统中，光纤传输线路的扰动、光源功率与光波长扰动、光波偏振态扰动、 光探测器及接收电路的温度特性漂移以及环境温度和机械震动等等，都会构成影响系统稳定性 的噪声源。通过适当的信号检测与处理方法可以大大改善光纤传感系统的稳定性能。常用的方 法概述如下： 华中理工大学博士学位论文 1 ) 多次平均降噪。 这是最常用的降低噪声的方法之一。其基本思想是对测量值进行多次采集，求其平均值。 由于信号具有确定不变的特征，多次采集后累加值的平均将会趋于该信号真值；噪声则具有随 机起伏波动特征，多次采集后累加值的平均将会趋丁零。因此如果采用n 次平均降噪，将会 使信噪比提高n 倍。 2 ) 数据平滑与信号提取 由于检测到的光信号极其微弱，测试数据不可避免地会携带噪声，有时甚至会出现信号被 淹没在噪声之中的情形。因此必须进行数据平滑，而且还不能损失有用信息。通常采用多点加 权数据平均的方法，区别信号与噪声，对噪声进行剔除或平滑。 3 ) 信号补偿t 监测信号会随环境参数发生漂移，这就需要进行信号补偿。即在采集到数据之后，根据同 时采集到的环境参数值来对信号进行必要的修正。例如，在作者研制的光纤电流传感器和分布 式光纤温度传感器中，就用到了温度补偿取得良好效果。 4 ) 参数控制， 由于光纤传感器自身参数发生波动，会产生相应噪声。可以通过适当的结构设计来控制参 数扰动抑制噪声。例如在光纤电流传感器中，由光偏振态的扰动引起偏振噪声，本文通过一 种偏振态自动控制结构来补偿偏振态扰动。大幅度降低了系统的偏振噪声。 5 ) 参考比较； 在许多光纤传感系统中，引入参考比较信号可以大幅度提高系统稳定性与可靠性。但是应 注意，当采用两路光纤通道引入参考比较信号时，由于不同通道光信号传输的随机性会产生新 的噪声，因此最理想的参考信号引入方式是通过单根光纤传输。本文所提出并实施的国家发明 专利在这方面进行了相关研究工作。 6 ) 动态校正t 按照理论设计研制的光纤传感系统，在实际应用过程中受温度、湿度影响而产生很大的偏 差。在一些要求较高的场合，如火灾报警、军事应用等就需要进行特征点实时动态校正。其 原理是在测试曲线上获得两个固定参考点进行常规定标测试，然后将根据这两点定标值对测试 曲线进行动态拟合。本文分布式光纤感温报警系统即采用了这种方法。 1 3 本文的研究工作 长期以来人们致力于研究开发各种光纤传感器，但其应用受到了多种因素的困扰。其中 信号处理就是制约因素之一。信号处理直接关系到光纤传感系统的检测灵敏度、精度、响应时 间、稳定性和可靠性等一系列重要性能指标，是光纤传感系统的核心。本文基于作者承担的几 4 华中理工大学博士学位论文 个课题的研究工作，尝试进行光纤传感系统的实用化理论与技术研究。其主要目的就是针对研 制仪器中存在的问题，提出有效的信号处理方法并探索其实现技术。论文分为四个部分，备部 分的主要研究工作如下所述： 一、光纤电流传感系统。 该项工作为教育部“跨世纪优秀人才培养计划”资助课题。尽管光纤电流传感器自提出 以来已经获得了很大的发展，但离实用化要求尚有差距。作者针对该项研究中存在的问题提出 了一个国家发明专利，并据此研制了一个实际的光纤电流传感系统研究了影响系统性能的各 种因素，探讨了提高系统性能的有效途径。主要研究内容包括： 1 ) 研究分析影响光纤电流传感器的各种误差因素： 2 ) 提出一种国家发明专利。自动补偿偏振态和温度扰动： 3 ) 设计研制了光纤电流传感软硬件。安装调试了整机系统并测试分析了其性能指标。 二、分布式光纤藤温报警系统 该项工作为教育部“留学回国人员科研启动基金”和“跨世纪优秀人才培养计划”资助课 题，并获得南京消防( 集团) 公司的合作资助。分布式光纤传感器是最具实用价值和竞争力的 传感器之一，也是目前有望实用化的少数光纤传感系统之一。本文设计了一种适合于系统应用 的w d m 分光器件，完成了连续光注入方式下对光纤后向喇曼散射光谱及温度特性的测试分 析。在此基础上，实际研制分布式光纤感温报警系统，根据系统技术指标要求进行了优化设 计，研制了系统软硬件并进行了系统联调，测试了系统主要技术指标。主要研究内容包括： 1 ) 研究分析了数据光纤后向散射光谱及其温度特性随激发光源性能的变化：确定了影响 喇曼散射分布式光纤温度传感器的各种误差因素； 2 ) 提出并研制了一种低损耗、高抑制比波分复用分光器件，能够有效地提取数据光纤中 的后向喇曼散射信息； 3 ) 分析了数据光纤后向喇曼散射光时域响应曲线特征，提出了反卷积变换的思想，能够 在较宽的光脉冲下使“温度空间响应区域”技术指标获得改善； 4 ) 研制了分布式光纤感温报警系统，配备了功能齐全的软件系统并进行了整机联调，测 试分析了其性能指标。经过现场检验，其技术指标达到设计要求。 三、光波导s p r 效应传癌的理论与实验研究 该项工作为湖北省自然科学基金资助课题，并获得本溪市通用电子设备总厂的合作资助。 本文内容属于项目的预研部分，涉及到光波导s p r 效应的理论研究和实验分析。在大量文献 调研基础上，通过系统全面的理论分析，推导出s p r 效应的理论计算公式，建立了光波导 华中理工大学博士学位论文 s p r 效应计算分析模型，对不同结构的传感器进行编程计算，优化传感头最佳结构参数并设计 制各了传感头，研制出光波导s p r 水质传感实验系统，进行了实验测试，在国内首次实现光 波导s p r 的光学激发，观测到其实验现象。本课题的工作为今后进一步的研究以及推动该项 研究成果在我国环境保护方面的应用打下了坚实的理论研究基础和必要的实验研究基础。该项 目研究工作得到了国家科学仪器科技攻关计划项目论证会专家组的肯定，并已经通过项目论 证，作为“九五”重点课题予以立项。 四、基于s o a 的有源光开关与多通道光纤传感系统 该项工作为国家“八六三”计划光电子主题资助课题，并获得深圳华为技术有限公司“华 为科技基金”的合作资助。半导体光放大器( s o a ) 是作者长期从事研究的另一项重要科研课 题。基于s o a 的有源光开关是在s o a 研究成果基础上发展的一个新型光开关，能够弥补常规 光开关造成的光损耗。除了本文介绍的在多路光纤传感系统中应用之外，更是光纤通信系统的 一个关键器件。本文首先论述了光开关在多路光纤传感系统中的应用，然后介绍作者研制的低 偏振灵敏度s o a 的关键性能，在此基础上给出有源光开关的基本定义，阐述了作为光开关的 s o a 器件基本特性，提出了一种提取光开关控制信号的新方法。 6 华中理工大学博士学位论文 第二章光纤电流传感的基本原理与技术 本章简要介绍光纤电流传感器的研究概况虬及基本理论与技术，重点分析了影响系统稳定性和 实用化应用的因素，在此基础上提出了一种综合补偿型光纤电流传感技术以期改善系统性能。 2 1 光纤电流传感技术的发展历史与现状 电力系统是光纤传感技术的最重要应用领域之一。这不仅是因为电力应用市场潜力巨大， 而且更主要是因为光纤传感测试技术在抗电磁干扰以及绝缘安全性能方面具有无与伦比的优越 性，尤其适合于电力系统高压及强电磁场环境。欧洲、美国以及日本等国的电气设备制造商投 入大量人力、物力和财力来研制电力设备中的光纤传感技术，用于包括温度、应力、压力、辐 射、旋转量以及电压、电流与磁场等电力参数的监测与控制。例如在火力发电厂中利用光纤传 感技术监测燃烧过程；在变压器和发电机中置入光纤温度传感器实时监测过热点以控制可能出 现的灾难性事故发生；利用光纤旋转量传感器可以监控汽轮或涡轮及电机转轴的转矩与扭矩； 在高压传输电缆中置入分布式光纤应力传感器则可以实时测试治线风力或冰凝对于电缆的影响 程度并对可能出现的断缆提供预警：在核电厂中光纤辐射传感系统被用于远距离测控掩体内的 辐射水平。 光纤电流传感是目前最具应用前景的电力参数测控技术之一。电流是电力系统及工业电力 设备的重要参数。一方面，为了实现对高压系统的监控和继电保护，要求能修在宽的输电频率 范围内测量大电流或超大电流；另一方面，考虑到计量和计费问题，对测量的精度要求也十分 高。为了满足远距离电力传输需求，人们致力于采用更高的传输电压( 在直流和交流系统中， 高达数十万伏量级的传输电压已成为现实，而且更高量级电压传输技术也在研究之中) 。在如 此之高电压下测量电流的大小绝缘安全就是一个十分突出且极其重要的问题。 传统的电流互感器( c t ：c u r r e n tt r a n s d u c e r ) 主要采用“油浸式”或“气隙式”绝缘技 术。这种技术存在着一些明显的弊端： 1 ) 油属于易燃易爆物质，可能引起灾难性事故； 2 ) 互感器线圈易产生铁磁共振，且有磁滞效应； 3 ) 在电网发生短路故璋引起动态大电流时因磁感应饱和效应而无法响应 4 ) 在测量端输出开路时存在高电压对人身安全构成极大的威胁； 5 ) 需昂贵的绝缘设施支撑，体积庞大笨重，重量可达几千公斤： 6 ) 电信号易受电磁干扰，实际测试精度受限于0 3 级； 7 ) 制造成本随着电压等级的提商几乎是呈指数增长。 7 华中理工大学博士学位论文 因此，现代电力系统迫切需要性能优良、造价低廉的新型电流传感设备，以替代传统电流 互感器。适应这种需要应运而生的光学电流互感器( o c t ：o p t i c a lc u r r e n tt r a n s d u c e r ) 正是这样 一种新兴技术。与传统c t 相比较，o c t 具有如下优越性： 1 ) 不含油，无爆炸危险； 2 ) 不含线圈，无短路饱和、磁滞效应以及铁磁共振； 3 ) 以光纤为传输线，不存在输出开路高压危险； 4 ) 体积小巧轻便，易于安装； 5 ) 光信号不受电磁干扰，测试精度仅受限于测量电路； 6 ) 成本低廉，在高压应用场合造价低于传统c t 。 人们已经提出许多方法用于光学电流检测。早在1 9 7 3 年，r o g e r s 就提出可以利用光学 技术来测量电流口1 。1 9 8 0 年a y a r i f 与h w i n s o r 提出一种单模光纤干涉型弱磁场传感器，构 成一种极为灵敏的o c t 4 1 。这种o c t 包含一根磁隔离参考光纤与一根含磁致伸缩材料涂敷层 的传感光纤，在磁场作用下传感光纤产生纵向应变，引起相对于参考光纤的相位变化，这种变 化即反映了磁场的大小。采用波长为0 8 5 t i n 光源和l m 长的传感光纤，最小可测试磁场强 度达到4 1 0 7 a ，m 。如果采用1k m 长的传感光纤。最小可测试磁场强度则可以达到 4 1 0 。，。传感光纤也可以采用热致伸缩材料涂敷层。a d a n d r i d g e 、a b t r e t e n 和 t g g i a l l o r e n z i 在传感光纤包层外制备一段1 0 c m 长2 9 i n 厚的铝涂敷层电阻3q 。电流通过 时产生的热量使得光纤折射率发生变化，从而引起光信号相位的变化。利用这种结构可测量 1 3 u a 的微弱电流口】。采用弱磁场测试方法易于受到环境磁场的干扰，尽管人们在改进o c t 结 构方采用了一些新的技术 6 - 7 j ，但在实际应用中仍然存在较大的困难。 另一种光纤电流传感器采用传统c t 与o c t 的混合结构。即在第一级仍然使用c t 线圈， 利用感应电流来调制光信号，然后将携带电流信息的光信号通过光纤线路从高压区传输到地面 进行进一步的处理1 。1 9 9 1 年，y n n i n g 等提出一种相位调制型o c t 州，在c t 的次级端接 一个大功率电阻，把电流信号转换为电压信号，然后将这个电压信号直接加在一个压电陶瓷 ( p z t ) 圆筒上。在p z t 圆筒上缠绕着1 2 圈光纤，作为m i c h e l s o n 干涉仪的一个臂，它把电 压信号转换为干涉仪的相位调制信号。采用一种准外差信号恢复技术，这种结构可以在 1 1 4 0 a 范围内获得大于o i a 、h z 的分辨率。频率范围可达3 0 一1 0 4 h z 。1 9 9 2 年y n n i n g 等又提出强度调制型混合o c 巾”j ，将一个l e d 连接在c t 的次级，用于将电信号转换为光强 信号。如果l e d 工作在其线性范围( 如：l 5 0 0 m a ) 内，则其输出强度就和待测电流值成正 比。不过由于l e d 是温度灵敏的，随着温度的升高。其输出强度以o 5 的速率下降，从而 导致在o 5 0 的温度范围内其灵敏度相对于2 5 时的值约有l l 的变化。因此，如果想要进 行精确的测量，就必须监测l e d 的温度并对信号处理所得的结果进行修正。1 9 9 3 年n a p h i l l i n g 等人采用频率调制来克服温度对l e d 的影响l ：利用一个电压，频率转换器将c t 次 8 华中理工大学博士学位论文 级的电压信号转换为频率信号，这个频率信号与待测电流值成正比；然后用这个频率信号调制 一个低功率l e d ，输出光信号通过光纤以脉冲的形式传输到低压控制室；这个频率调制的光 信号被光电二极管接收，并通过一个相似的以互易方式工作的频率电压转换器转换为电压信 号。这种系统可以探测频率5 0 h z ，带宽9 ，5 5 h z 范围内的最小电流为l a 的信号( 等效于 0 3 2 a 瓶；) 。 由于混合结构o c t 技术利用了光纤良好的绝缘特性，相对于传统的c t ，其体积、重量和 绝缘费用都大为降低。而且，由于其使用传统的传感头，比较容易为电力工业所接受。不过， 这种混合结构不能够克服传统c t 弊端，并不能充分体现o c t 的优越性。 第三种o c t 是利用f a r a d a y 磁光效应来进行大电流的测量，测量范围从几安培到几千安 培。f a r a d a y 磁光效应是指：当一束线偏振光通过置于磁场中的磁光材料时，在平行于光传播 方向的磁场的作用下，线偏光的偏振面会发生旋转，旋转角由下式决定： 毋= v i 曰谢( 2 1 1 ) j 式中，v 是磁光材料的v e r d e t 常数，b 为磁感应强度，是光和磁场相互作用的长度矢量。当 光路构成一个闭合环路时，上式就变为： 庐= 矿d 曰谢( 2 1 2 ) j 若光线围绕电流导体圈后出射，由安培环路定律可得： 矿= 阳w( 2 1 3 1 式中，为磁光材料的磁导率，为待测电流。因此，测出偏振面的旋转角就可以求出待测 电流值。可用的磁光材料包括含铅玻璃、重火石玻璃以及b g o ( b i s m u t hg e r m a n i u mo x i d e ) 、 b s o ( b i s m u t h s i l i c o n eo x i d e ) 和y i g 0 , t t r i u mi r o ng a r n e 0 晶体等等。 图2 卜l 示出测量系统的原理。由发送单元光源输出的光信号通过输入光纤传送至传感单 元，光信号在经过传感单元时受到待测电流所产生磁场的调制，这一调制光信号又通过输出光 纤传送回到接收单元，由光探测器转变为电信号，经过信号处理分析提取电流信息值。 图2 卜1f a r a d a y 效应光纤电流传感系统原理圈 9 华中理工大学博士学位论文 f a r a d a y 效应o c t 有两种结构：全光纤型和分立元件型。前者采用光纤作为磁光元件， 后者则采用块状磁光材料制成磁光元件。 在全光纤型o c t 中，由于普通硅光纤的v e r d e t 常数很小( 6 3 3 n m 时为4 6 8k1 0 。6 r a d a ) ，因此为了得到高的灵敏度，就必须将光纤传感头绕很多圈，而这又会同时