（通信与信息系统专业论文）相干botdr温度和应变传感系统信号处理技术研究.pdf

声明尸明 l i i ii i il ui ii i l l lliiii 17 8 5 9 9 2 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文相干b o t d r 温度和应变传感 系统信号处理技术研究，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： 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、缩印或其他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：导师签名： 日期： 华北电力人学硕十学位论文摘要 摘要 综述了基于b o t d r 技术的光纤传感研究动态，特别对信号处理现状进行了介 绍。推导了布旱渊散射传感机理，建立了布罩渊频移和强度与温度和应变的对应关 系。设计了基于l a n d a u p l a c z e kr a t i o 的微波外差检测b o t d r 传感系统，对传感系 统的控制方案进行了研究，并在l a b v i e w 软件平台实现了可调激光器和数据采集 卡的计算机控制。详细分析了数字式多点平均去噪算法，实现了布罩渊强度仿真信 号和采集信号的去噪，去噪结果表明实现的算法程序正确有效。对基于l m 算法的 非线性最小二乘拟合原理进行研究，并在l a b v i e w 中仿真实现了布旱渊频谱单峰 和多峰信号的拟合。完成了基于扫频方式的传感系统信号处理过程的仿真，仿真实 现了1 0k m 光纤上温度信息的解调。 关键词：b o t d r ，信号处理，系统控制，数字式平均，拟合 a b s t r a c t t h er e s e a r c ht r e n do ff i b e r - o p t i cs e n s i n gb a s e do nb o t d rt e c h n o l o g yh a sb e e n i n t r o d u c e dw i t hp a r t i c u l a ra t t e n t i o nt os i g n a lp r o c e s s i n g t h es e n s i n gp r i n c i p l eu s i n gb r i l l o u i n s c a t t e r i n gh a sb e e na n a l y z e da n dt h ed e p e n d e n c e so fb r i l l o u i ns h i f t a n di n t e n s i 够o n t e m p e r a t u r e a n ds t r a i nh a v e b e e nf o u n d e d ab o t d rs e n s i n g s y s t e m b a s e d0 1 1 l a n d a u - p l a c z e kr a t i oa n du s i n gm i c r o w a v eh e t e r o d y n ed e t e c t i o nh a sb e e nd e s i g n e d ，t h e c o n t r o ls c h e m eo ft h es e n s i n gs y s t e mh a sb e e ns t u d i e da n dt h et u n a b l el a s e ra n dd a t a a c q u i s i t i o n c a r dc a nb ec o n t r o l l e d b yc o m p u t e ri nl a b v l e w t h ed i g i t a lm u l t i p o i n t a v e r a g i n ga l g o r i t h mh a sb e e na n a l y z e di nd e t a i l ，a n dt h ed e n o i s i n go fb r i l l o u i ni n t e n s i t y s i m u l a t i o ns i g n a la n da c q u i s i t i o ns i g n a lh a v eb e e na c h i e v e d 。t h ed e - n o i s i n gr e s u l tp r e s e n t s t h a tp r o g r a mo fa l g o r i t h mi sc o r r e c ta n de f f e c t i v e t h ep r i n c i p l eo fn o n l i n e a rl e a s ts q u a r e f i t t i n gb a s e do nl ma l g o r i t h mh a sb e e ns t u d i e da n dt h ef i t t i n go fs i m u l a t i o nb r i l l o u i n s p e c t r u mw i t hs i n g l e p e a ka n dm u l t i p e a kh a sb e e nr e a l i z e d b ys i m u l a t i n gs i g n a lp r o c e s s i n g o fb o t d rs y s t e mb a s e do nf r e q u e n c ys c a n n i n g , t e m p e r a t u r ei n f o r m a t i o nc a nb e d e m o d u l a t e dc o r r e c t l yf r o md e t e c t i o ni n f o r m a t i o ni n10k mf i b e r l ic h e n g b i n ( 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 yw o r d s ：b o t d r ，s i g n a lp r o c e s s i n g ，s y s t e mc o n t r o l ，d i g i t a la v e r a g e ，f i t t i n g 华北电力人学硕十= 学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 基于b o t d r 技术的光纤传感研究动态2 1 2 1 直接检测法2 1 2 2 相干检测法：2 1 3 相干b o t d r 传感系统中的信号处理技术3 1 4 本文主要研究内容6 第二章相干b o t d r 温度和应变传感原理及系统7 2 1 光纤中的布里渊散射7 2 2 基于布里渊散射的传感机理8 2 2 1 布里渊频移的温度和应变特性8 2 2 1 1 布里渊频移的温度特性9 2 2 1 2 布里渊频移的应变特性1 0 2 2 2 布里渊强度的温度和应变特性1 1 2 2 2 1 布里渊强度的温度特性1 1 2 2 2 2 布里渊强度的应变特性1 2 2 2 3 温度和应变同时测量1 2 2 3 相干b o t d r 温度和应变传感系统1 4 2 3 1 相干b o t d r 传感系统基本原理1 4 2 3 2 系统总体设计方案1 5 2 4 小结1 6 第三章相干b o t d r 温度和应变传感系统控制技术1 7 3 1 虚拟仪器和l a b v i e w 开发平台1 7 3 2 系统控制方案1 8 3 3 系统关键器件控制实现1 9 3 3 1v i s a 编程1 9 3 3 2 可调谐激光器的控制1 9 3 3 3 脉冲驱动源的控制2 l 3 3 4 数据采集卡的控制2 2 3 4 小结2 2 华北电力人学硕十学位论文目录 第四章相干b o t d r 传感系统信号处理技术2 3 4 1 数字式多点平均技术2 3 4 1 1 数字式多点平均信噪改善比2 3 4 1 2 数字式多点平均频域特性2 5 4 2 数字式多点平均算法仿真实验2 8 4 2 1 布罩渊散射强度信号仿真分析2 8 4 2 2 采集信号去噪分析3 3 4 3 布里渊频谱拟合算法：3 5 4 3 1 非线性最小二乘拟合3 6 4 3 2l m 算法原理3 7 4 4 布里渊频谱信号的拟合仿真3 9 4 4 1 布里渊频谱单峰拟合3 9 4 4 1 1 非线性曲线拟合v i 3 9 4 4 1 2 布里渊频谱单峰拟合仿真实现3 9 4 4 2 布里渊频谱多峰拟合4 l 4 4 2 1 波峰检测v i 4 2 4 4 2 1 布里渊频谱多峰拟合仿真实现4 2 4 5 相干b o t d r 温度和应变传感系统信号处理仿真4 4 4 5 1 布罩渊散射信号仿真4 4 4 5 2 信号处理实现及结果4 5 4 6 小结4 7 第五章总结及工作展望4 8 5 1 总结4 8 5 2 下一步工作展望4 8 参考文献4 9 致谢5 3 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 4 华北电力人学硕十学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着光纤的出现和光纤通信的发展，光纤传感技术在2 0 世纪7 0 年代末作为一门 新兴技术开始形成，它以光波作为载体，以光纤作为传输介质，实现对被测参量的 传感。1 9 7 6 年，b a r n o s k i 和j e n s e n 提出的光时域反射( o t d r ) 技术标志着分布式光 纤传感器的诞生【l 】。与传统的电学传感器相比，分布式光纤传感器不仅具有光纤传 感器固有的灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、耐久性好、体积小、重量轻等优点， 而且还具有如下基本特征：( 1 ) 光纤集传感和传输于一身，光纤上任意一段既是敏 感单元又是其它敏感单元的信息传输通道，可进行空间上的连续检测；( 2 ) 一次测 量可以获取整个光纤区域内被测量的一维分布图，如果将光纤布设成网状，就可以 得到被测量的二维和三维分布情况，可同时获得被测量的空间分布状态和随时间变 化的信息。正是由于如此多的优点，分布式光纤传感技术在国防和民用工业中均具 有重要的应用价值。 1 9 8 0 年r o g e r s 利用后向散射光随温度变化提出了最早的分布式光纤温度传感系 统【2 】，在近三十年里，光时域分布式光纤传感技术取得了相当大的发展，并在以下 三个方面取得了突破【3 】：基于瑞利散射的分布式光纤传感技术；基于拉曼散射的分 布式光纤传感技术；基于布里渊散射的分布式光纤传感技术。基于瑞利散射的分布 式光纤传感技术常用来检测光纤的断点及衰减特性，基于拉曼散射的分布式光纤传 感技术主要用于温度测量，这两种技术已经趋于成熟，并逐步走向实用化。基于布 里渊散射的分布式光纤传感技术能够实现温度和应变的同时测量，且测量精度、传 感距离和空间分辨率较高，该技术以其巨大的优势，在海底光缆制造和施工维护、 石油天然气管道泄露、发电厂、变电站高压设备、高压电缆、废气处理厂的温度监 测、大型混凝土结构( 大坝、隧道、建筑物等) 的结构健康监测，以及山体滑坡、 河床塌陷等地质灾害监测方面具有广泛的应用前景，受到国内外的广泛关注与研 究。 目前，基于布里渊散射的分布式光纤传感领域较为成熟的技术包括四种【4 j ：布 里渊光时域反射( b o t d r ) 技术，布里渊光时域分析( b o t d a ) 技术，布里渊光 相关域分析( b o c d a ) 技术，布里渊光频域分析( b o f d a ) 技术。其中，b o t d r 技术只需单端测量，实际使用比较简单，系统中采用单个激光器工作，可采用多种 方案实现信号的检测，是目前发展的一种主流技术【5 】。 华北电力人学硕十学位论文 1 2 基于b o t d r 技术的光纤传感研究动态 基于b o t d r 技术的光纤传感是在传统的光时域反射仪( o t d r ) 基础上发展 起来的。光脉冲注入光纤传感系统的一端，光纤中的布里渊散射光作为时间的函数， 通过计算入射脉冲和布里渊散射光信号的时间差实现空间的定位。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力的影响，所以通过测量布里渊散射信 号的频移或强度就可以得到光纤的温度或应变的分布。在基于b o t d r 技术的光纤 传感系统中测量的是自发布里渊散射信号，信号强度极其微弱，相对于瑞利散射来 说要低大约2 3 个数量级，而且相对于入射光来说布里渊频移很小，对于1 5 5 0n m 光纤约为1 1g h z ，检测起来较为困难，通常采用的检测方法有直接检测和相干检测 两种。 1 2 1 直接检测法 直接检测法一般用光学滤波器实现，即利用f p 干涉仪( f p i ) 或m a c h z e h n d e r 干涉仪( m z i ) 将微弱的布里渊散射光从瑞利后向散射光中分离出来。1 9 9 7 年，t r p a r k e r 等人利用f p i 首次实现了1 2k m 光纤上的温度和应变测量，温度和应变分辨 率分别为4 和1 0 0 肛【6 】。由于f p 干涉仪插入损耗较大，给本来就很微弱的布里 渊散射信号带来很大衰减，对提高测量精度、减少测量时间不利。2 0 0 0 年，英国的 h h k e e 等人f 7 】采用m a c h z e h n d e r 干涉仪方法同时获取了自发布里渊散射信号的 强度和频移信息，该传感系统采用一个双通m z i 和一个单通m z i 级联实现低损耗 滤波以及布里渊强度信号和频移信号的分离，实现了对温度和应变的同时测量，在 1 5k m 的距离上达到温度和应变分辨率分别为4 和2 9 0 肛，空间分辨率为1 0m 。 国内也有采用全光纤m a c h z e h n d e r 干涉仪进行直接检测的尝试性研究【8 - 9 1 。由于布 里渊散射光信号十分微弱，且布里渊频移量小，直接检测法对光学滤波器的要求极 高，因此测得的布里渊频移往往不够准确。而且直接检测获得的信噪比不高，从而 影响了动态测量范围。另外，一次检测响应时间较长，因此目前国内外对此检测方 法研究较少。 1 2 2 相干检测法 相干检测技术主要是通过改变本振光的频率对布里渊信号频谱进行扫描从而 得到中心频率，或者对光外差后差频信号的频谱进行分析从而获得中心频率，由该 中心频率即可知道布里渊频移。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和应变分布式测量【i o 】，相干检测b o t d r 技术大致 经历了声光移频、电光移频和微波外差检测三种方式f 1 1 。3 1 ，其中由于微波外差检测 技术日益成熟，相比光学系统更加稳定，因此采用微波外差检测技术的b o t d r 可 2 华北电力人学硕 学位论文 大大简化系统，并且测量精度高，制造成本低。 2 0 0 1 年s m m a u g h a n 等人设计的基于外差检测的传感系统使用带宽为2 6 5 g h z 的射频频谱分析仪进行信号检测，实现了传感长度为3 0k m 、温度分辨率4 、 应变分辨率1 0 0 “的测量【l4 1 。2 0 0 4 年，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o 8 、空间分辨率5 0m 的测量【i5 1 ，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长达1 5 0k m ，温度分辨率为5 2 ，空 间分辨率为5 0m 的测量指标【1 6 1 。同本n t t 公司及a n d o 电子公司最新研制出 a q 8 6 0 3 型b o t d r 光纤应变分析仪，在空间分辨率下测量范围可达8 0k m ，应变测 量精度为3 0 “，空间分辨率为lm ，已经大量商用化。国内单位对相干b o t d r 技 术的研究也相对较多【1 7 19 1 。浙江大学宋牟平等人采用微波电光调制器进行移频，研 制的b o t d r 系统实现了2 5k m 传感距离上3 的温度分辨率、1 0 0p 的应变分辨 率和1 0m 的空间分辨率1 1 8 】及3 4k m 传感距离上2 0 0p 的应变分辨率和1 0m 的空间 分辨率，并制作出样机【2 0 1 ，而且对分布式光纤传感器网络进行了初步研究【2 。南京 大学梁浩等人提出了一种采用两根光纤作为传感介质、能同时监控两条线路的布里 渊分布式光纤传感系统，实现了6k m 光纤上4m 的空间分辨率【2 2 1 。 1 3 相干b o t d r 传感系统中的信号处理技术 在一个分布式光纤传感系统中，测量精度、测量时问、空间分辨率和传感距离 是四个相互制约的主要性能指标，研究人员致力于研究如何以较少的测量时间，在 较长的传感距离上实现高精度、高空间分辨率的测量，采用有效的信号检测和处理 技术对传感性能的改善起着不可估量的作用。在基于布里渊散射的分布式光纤传感 系统中，布里渊散射信号极其微弱，而且由于传感系统比较复杂，实现信号的检测 需要经过复杂的处理过程。从测量信号的特点来看，检测信号非常微弱，不仅仅指 信号的幅值很小，更主要的是噪声淹没了微弱的有用信号，因此必须采用微弱信号 检测处理技术消除噪声的干扰，提高信噪比。另外，在高精度的分布式光纤传感系 统中，测量数据量庞大，高效的数据处理技术也极大的影响着传感性能。只有采取 合适的信号处理方法，我们才能够从检测到的信号当中正确地获知测量场的温度和 应变变化信息，从而正确反映所测环境的温度和应变变化情况。因此，对分布式光 纤传感系统中的信号处理技术进行研究具有重要意义。 近年来，随着技术的进步，研究人员在对相干b o t d r 温度和应变传感系统的 研究中不断的提出和探讨新的信号检测和处理技术，用于改善传感系统方案和提高 传感性能指标。主要方法有以下几种： ( 1 ) 基于双脉冲的b o t d r 技术 为了探讨提高空间分辨率的方法，日本y k o y a m a d a 等人提出基于双脉冲的布 3 华北电力人学硕十学位论文 里渊光时域反射计( d p b o t d r ) ，在每个周期连续向传感光纤发送两个光脉冲，通 过单个声波产生布里渊散射光的相干特性来解决系统空间分辨率和布罩渊频移分 辨率之间的矛盾。假设在光纤输入端背向散射光场表示为e 。，z 表示光纤散射点距 入射端的距离，t 为接收到散射光的时间。当声子速度屹约为5 9 4 4m s 时，引发自 发布里渊散射的声波是随机的，并且以指数形式衰减，其寿命f 。约为41 1 $ 【2 3 1 ，布里 渊后向散射光丘“，和如f ，的相干特性为： ( a ) 当i 气一z ，| f 儿时，因为散射光是由不同声波产生，所以散射光岛埘和吻驴 不产生干涉。 利用以上特性，d p b o t d r 系统可以克服空间分辨率和布里渊频移分辨率之间 的矛盾，实现高精度和高空间分辨率的布罩渊频移的测量。在具体传感系统实现上， 分布反馈激光器发出的光通过耦合器分为两路，一路光作为本振光，另一路光经电 光调制器( e o m ) 调制成双脉冲光，双脉冲光中的前向脉冲与后向脉冲之间的时间 间隔在一个声子寿命范围内。脉冲光经耦合器进入传感光纤，产生的背向散射光进 入光电检测器与本振光进行相干检测。检测后的高频电信号再由混频器和微波本地 振荡器对其进行下变频，然后通过一个匹配滤波器，最后进行数据采集和处理。经 匹配滤波器后的频谱具有振荡特性，它是由前向脉冲和后向脉冲产生的布里渊散射 信号之间相干作用引起的，利用这种振荡特性，就可以精确得到布罩渊散射信号的 峰值频率。研究人员利用这种传感光纤中传输双脉冲的方法进行传感测量可以达到 空间分辨率2 0 锄以及温度应变测量精度士1 + 2 01 t e 的性能指标【2 4 1 。 ( 2 ) 基于快速傅里叶变换的测量方法 传统的布里渊散射谱检测基于扫频探测方式，但该探测方式需要多次测量才能 得到所需的布里渊散射光谱数据，所需测量时间较长，在时间一定的条件下测量精 度又对低通滤波器的依赖较大。针对这一缺陷，南京大学路元刚等人提出基于快速 傅里叶变换的布里渊光时域反射测量方法【2 5 1 。在该方法中，本地参考光和布里渊散 射光在光接收机上相干后产生布里渊散射谱信号，通过调整散射谱中心频率使其完 整通过低通滤波器，再由高速采集与处理电路进行采样、去噪，然后对信号划分若 干单元，对每个单元进行快速傅里叶变换后，将所得布罩渊散射谱进行洛伦兹拟合， 得到各单元上布里渊散射谱中心频率，再利用前面调整的布里渊散射谱中心频率就 可获得整条光纤上每个单元的布里渊频移，最终根据布里渊频移与温度或应变的线 性关系得到传感光纤上任一位置处的温度或应变信息。在lk m 的光纤上，该方法 获得的测量结果与理论值相比，温度测量均方根误差为1 3 ，整个测量过程小于 2 分钟，在不降低测量空间分辨率和测量精度的前提下，测量速度较现有技术提高 4 华北电力人学硕十学位论文 了一个数量级，且传感系统结构简单。在其设计的相干b o t d r 系统中，实现了在 6k m 光纤上温度分辨率3 、空间分辨率2m 的传感指标，整个测量时间是传统扫 频测量方法的十分之一【2 引。 ( 3 ) 等效脉冲光拟合法 南京大学王峰等人针对b o t d r 在测量应变时由于探测光脉宽受限而导致的空 间分辨率不足的缺陷，提出了基于等效脉冲光的多洛仑兹拟合法【2 7 1 ，该方法将探测 光脉冲在b o t d r 完成单次采样所需的时间上进行积分，将积分函数作为等效脉冲 光的表达式，再根据等效脉冲光的形状将b o t d r 接收到的背向布里渊散射谱细分， 并对它进行多洛仑兹迭代拟合，准确求得每个细分布罩渊散射谱的中心频率，进而 利用布里渊频移与应变的关系得到应变信息，并采用a q 8 6 0 3 光纤应变分析仪进行 实验，实验结果表明该方法能准确检测到光纤上0 1m 甚至0 0 5m 长度上的应变， 使布里渊光时域反射仪的空间分辨率提高了一个数量级以上。 ( 4 ) 边缘检测技术 在常规的布里渊频移测量中，布里渊信号最大处对布里渊频移的变化不敏感， 因此影响测量精度，针对这一现象，万生鹏等人将激光雷达中广泛采用的边缘检测 技术应用于布里渊光纤传感中【2 8 1 ，并通过设置最佳的工作点，使系统工作在最敏感 的点上。在其设计的双边缘检测系统方案中，布里渊信号与本振光外差后经平衡接 收机转换成电流信号，通过检测低通滤波器后的电流信号变换来检测布里渊频移变 化量。通过对常规检测和边缘检测的比较，要实现o 5m h z 的布里渊频移常规检测 所需信噪比约为6 5d b ，而采用单边缘检测技术后，所需信噪比为3 7d b ，采用双边 缘检测技术后，所需信噪比为3 1d b 。因此在相同的布里渊频移测量精度下，边缘 检测技术可以大大降低所需的信噪比，从而提高布里渊频移测量精度并降低系统测 量时间。 ( 5 ) 格雷互补序列法 在传统的单脉冲b o t d r 传感系统中，增加脉冲宽度可以增加入纤功率、提高 系统的信噪比，同时增加脉冲宽度又会降低系统的空间分辨率，针对信噪比和空间 分辨率相互制约这一矛盾，产生了将格雷互补序列应用于b o t d r 光纤传感系统的 思想f 2 9 1 。由于格雷互补序列具有理想的自相关和互相关特性，将格雷互补序列作为 b o t d r 系统驱动脉冲既能增加发射信号的能量又不降低空间分辨率，可以解决系 统信噪比与空间分辨率相互制约的问题。在其所设计的外差检测式布里渊光纤传感 系统中，采用格雷互补序列作为探测脉冲可以获得1 0k m 传感距离上高于0 4 1k 和 7 4 陋的温度和应变分辨率，空间分辨率可达lm ，与相同条件下的单脉冲光纤传 感系统相比，性能有明显的改善。 5 华北电力大学硕十学位论文 1 4 本文主要研究内容 本文依托华北电力大学承担的国家8 6 3 计划课题“光纤温度链及测量技术， 在对相干b o t d r 温度和应变传感系统进行深入分析的基础上，所做主要工作如下： ( 1 ) 对基于布里渊散射的传感机理进行了研究，建立了温度和应变分布同时 测量的传感模型； ( 2 ) 设计了基于l p r 的微波外差检测b o t d r 传感系统，并对其工作过程进 行了详细分析； ( 3 ) 引入虚拟仪器技术，在l a b v i e w 软件平台设计传感系统的控制方案，对 系统中的可调激光器、数据采集卡等器件实现了计算机控制； ( 4 ) 从理论上分析了数字式多点平均去噪算法和布旱渊频谱拟合算法，在 l a b v i e w 软件平台编制平均去噪程序和布里渊频谱拟合程序，通过仿真信号和实际 采集信号论证了各种算法性能； ( 5 ) 对基于电域扫频方式的相干b o t d r 温度和应变传感系统信号处理过程进 行了仿真，在1 0k m 光纤上实现了温度的正确解调。 6 华北电力人学硕十学位论文 第二章相干b o t d r 温度和应变传感原理及系统 基于b o t d r 技术的温度和应变传感系统利用光纤中的非线性效应布里渊 散射来进行传感，通过测量布罩渊散射信号的参数可以得到光纤所在坏境的温度和 应变信息。布里渊散射光相对于入射光频率的变化量称为布里渊频移，布罩渊散射 频移和强度大小均随着温度和应变发生变化，本章从理论上对它们的变化关系进行 分析，并设计出一套相干b o t d r 传感系统。 2 1 光纤中的布里渊散射 当光在光纤中传输时，光纤中将有三种散射发生：瑞利散射，拉曼散射和布里 渊散射，它们的散射机理各不相同。瑞利散射是入射光与介质中的微观粒子发生弹 性碰撞所引起的，散射光的频率与入射光的频率相同，是强度最高的散射光成分； 布里渊散射是光纤中的光学光子和光纤中的声学声子发生非弹性碰撞而产生的，强 度比瑞利散射小2 3 个数量级；拉曼散射是光纤中的光学光子和光纤中的光学声子 发生非弹性碰撞而产生的，强度比布里渊散射小一个数量级。三种散射光频谱分布 示意图如图2 1 所示。从图2 1 可以看出，光谱在入射光波长两侧是成对出现的， 在低频一侧的散射光为斯托克斯光( s t o k e s ) ，在高频一侧的散射光为反斯托克斯光 ( a n t i s t o k e s ) ，它们同时包含在拉曼和布罩渊散射中。 入射光( 瑞利) s t 。k 懿l a n t i s t o k e s 襁渊n 拉曼 l 。i l 拉曼 入 |i 八。 图2 1 光纤中的散射光谱示意图 频率 布里渊散射是入射光波场与介质内弹性声波场相互作用而产生的一种光散射 现象，根据入射光强度的不同，光纤中会产生白发布里渊散射和受激布里渊散射。 ( 1 ) 自发布里渊散射 当注入光功率不高时，光纤由于其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，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差及折射率呈现周期性的变 化，引起散射光频率相对于传输光频率有一个多普勒频移，这种散射即为自发布里 7 华北电力人学硕十学位论文 渊散射( s p b s ) 。从量子物理学角度可理解为一个泵浦光子转换成一个新的频率较 低的斯托克斯光子，同时产生一个新的声子：同样地，一个泵浦光子吸收一个声子 的能量并转换成一个新的频率较高的反斯托克斯光子。因此，在自发布里渊散射光 谱中，将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 频移的大小与光纤材料声子特性有直接关系。 ( 2 ) 受激布罩渊散射 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，其折射率会增加，产生电致伸缩效应，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一一受激布里渊散射。其原理为当泵浦 光在光纤中传播时，自发布里渊散射光沿泵浦光相反方向传播，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，反向传输的斯托克斯光 和泵浦光将发生干涉作用，产生较强的干涉条纹，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加强声波，如此相互作用，产生很强的散射即受激 布里渊散射( s b s ) 。 这种s b s 过程可以概括为频率较高的泵浦光的能量向频率低的斯托克斯光转 移的过程。这样，受激布里渊散射可以看成仅仅是在有泵浦光存在的情况下在电致 伸缩材料中传播的斯托克斯光经历了一个光增益的过程。在受激布里渊散射中，虽 然理论上反斯托克斯光和斯托克斯光都存在，但一般情况下只表现为斯托克斯光。 由于本文主要研究相干b o t d r 温度和应变传感系统，系统中所检测信号为自发布 里渊散射信号，利用自发布里渊散射信号的特性进行传感，因此后面如未特别说明， 所指布里渊散射均为自发布里渊散射。 2 2 基于布里渊散射的传感机理 基于布里渊散射的分布式光纤传感技术利用温度和应变与布里渊散射光谱的 调制关系，通过检测布里渊散射光的频移和强度来获得传感光纤上的温度和应变信 息。布里渊频移和强度与光纤材料中的声速有关，而声速受到光纤材料的热光特性 和弹光特性的影响，所以光纤中的温度和应变的变化都会引起布里渊频移和强度的 变化，而与温度和应变有关的热光效应和弹光效应又与光纤材料的折射率、杨氏模 量、泊松比和密度有关，因此通过分析光纤材料的各项参数与温度和应变的关系， 可以得到布里渊频移和强度与温度和应变间的关系。 2 2 1 布里渊频移的温度和应变特性 布里渊散射光相对于入射光的布里渊频移吻由介质的声学特性和弹性力学特 8 华北电力人学硕十学位论文 性决定，另外还与入射光频率和散射角目有关，其大小由下式给出 = 一匕= 一v o = 2 v o 监s i n ( ) ( 2 一1 ) 式中，为斯托克斯光频率，屹，为反斯托克斯光频率，行为介质折射率，c 为 真空中的光速，场为光纤中的声速。 光纤中的声速纥可以表示为【3 0 1 ： 吒= ( 1 一r ) e ( 1 + k ) ( 1 2 r ) p ( 2 - 2 ) 式中，e 为杨氏模量，妫泊松比，p 为光纤纤芯密度。对于普通石英介质光纤，其 散射光主要发生在背向，即0 - - - 7 - 。对于石英光纤，玎1 4 6 ，v a 5 8 9 0m s ，当2 0 = 1 5 5 0 r i m 时，布里渊频移场1 1 2g h z 。 由于弹光效应和热光效应，当光纤的温度和应变变化时会使光纤折射率发生变 化，并且因温度和应变对光纤的e ，k ，p 等参数的调制而使声速也发生变化。光纤 的折射率、杨氏模量、泊松比和密度等参数可表示为温度丁和应变占的函数，分别 记为n ( c0 、以l 田、砥l 小p ( l 回，联合式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 可得到布里渊频移 y b ( r ，s ) ：2 v on ( f ，占) c e ( t ，占) 【l r ( r ，占) 】 【1 + k ( r ，占) 】【1 2 t c ( t ，占) 】p ( 丁，占) ( 2 - 3 ) 2 2 1 1 布里渊频移的温度特性 假设应变保持不变，当温度改变时光纤中的热膨胀效应会引起密度的变化；其 热光效应会引起光纤折射率的变化；因光纤的自由能随温度变化会使得光纤的杨氏 模量和泊松比等物性参数随温度变化。由此光纤温度的改变会引起布里渊散射谱的 布里渊频移等参数随之变化。设应变c = o ，由式( 2 3 ) 得到 o ) ：盈，z o ) c e ( t ，o ) 1 - 1 c ( t ，o ) 】 【l + r ( 丁，o ) 】【l 一2 k ( 丁，o ) 】及丁，o ) ( 2 - 4 ) 当温度变化较小时，各参量随温度的变化可用泰勒级数展开的一次项近似 n ( t ，0 ) , f r o ，o ) + n r 。r e ( 丁，0 ) e ( t o , 0 ) + 辱丁 ( 2 5 ) k ( 丁，0 ) , c ( r o ，o ) + a t p ( t ，0 ) 夕( 瓦，o ) + p r a t 其中为参考温度取2 0 ，4 丁= t - r o 为相对于参考温度的温度变化量，l i t , , e r 、 i c t 、p r 分别为折射率、杨氏模量、泊松比和密度的温度系数 9 华北电力人学硕十学位论文 驴嘉= ( 警) 辱2 犁警卫亿6 ， b = 万d k = ( 警l 岛2 等= ( 警) 焉 将式( 2 - 5 ) 、( 2 - 6 ) 代入到式( 2 4 ) 做二项式展开，准确到丁的一次项，可得 y 占( 丁，o ) ，口( 7 0 ，o ) i1 + ( a n 7 + a e r + b + p r ) a ti ( 2 - 7 ) 其中岘2 厕n t ，蝎2 南，肾弗淄篇褊， a p ：。t 2 p ( r o ，0 ) 若t o = 2 0 ，对一般单模光纤有典型值：订( t o ，o ) = 1 4 6 ，n r = 0 6 8 x1 0 一 c ， e ( t o , o ) = 7 3 1 0 1 0 ，e 7 = 1 3 5 1 0 7 c ，d 乃，o ) = 0 1 7 ，发- r = 4 3 8x1 0 。5 ，p r = p ( z o ) 1 6 5x1 0 。6 ，由上述数值可计算出a n 7 = 0 4 7 1 0 ，a e 7 = 9 2 4 1 0 ，d k r - - 2 1 4 1 0 一，和7 = 一o 0 8 1 0 。由此得到布里渊频移对温度的变化关系为 v b ( t ，0 ) = v , ( t o ，0 ) ( 1 + 1 1 8 x 1 旷n ( 2 8 ) 当应变为0 ，温度为2 0 ，泵浦光波长为1 5 5 0n l n 时，普通单模石英光纤的 布里渊频移约为1 1g h z 。由式( 2 - 8 ) 可知布里渊频移变化量与温度变化成线性关 系，温度每变化l ，布里渊频移变化约1 2m h z 。同样这种布里渊频移随温度变 化的关系也可通过实验统计得到【3 1 1 ，实验结果表明了布里渊频移随温度近似线性变 化，布里渊增益谱的频移随温度升高而增大，理论推导与实验结果一致。 2 2 1 2 布里渊频移的应变特性 假设温度保持不变，当应变改变时，光纤中的弹光效应会使其折射率改变，因 光纤内部原子间的相互作用势改变，会使得其杨氏模量和泊松比随应变变化。因而 光纤应变的改变会引起布里渊散射谱的布里渊频移等参数随之变化。假设t o = 2 0 恒定，则式( 2 - 3 ) 可以表示为 ( t o ，力：2 v o 刀( t o ，印 c e ( 兀，c ) 1 - x ( r o ，占) 】 【i + x ( t o ，s ) 1 - 2 x ( t o ，6 ) p ( r o ，s ) ( 2 - 9 ) 由于光纤为脆性材料，其拉伸应变s 属于微应变，因此同上面布里渊频移与温 度的推导类似，在g = o h 对式( 2 9 ) 做泰勒展开和数学变换后可得到 1 0 华北电力人学硕十学位论文 v 口( r o ，占) = v 占( t o ，o ) i1 + ( 血。+ e + k + 辟) sl ( 2 1 0 ) 因此在得到光纤材料各个参数的情况下，就可以很方便的得到应变与布里渊频 移的定量关系。对于普通单模光纤，其对应的各参数典型值如下：a n 占= - - 0 2 2 ，凹占 = 2 8 8 ，a t - - 1 4 9 ，4 0 f = 0 3 3 。代入式( 2 1 0 ) 可得 v b ( t o ，占) = v b ( r o ，o ) ( 1 + 4 4 8 c ) ( 2 一1 1 ) a v 口= y 矗( t o ，e ) - v 口( t o ，0 ) = 4 4 8 v 口( t o ，0 ) e ( 2 1 2 ) 从式( 2 - 1 1 ) 和( 2 1 2 ) 可以看出，在温度一定的情况下，布里渊频移变化量 与应变成线性关系。由于光纤中应变s 的数量级为1 0 ，所以由式( 2 1 2 ) 可知， 4 吲坳m ，0 ) 4 5x1 0 一，当入射光波长为1 5 5 0n m ，单模普通石英光纤在常温及无 应变的情况下的布里渊频移约为l lg h z ，故应变每变化l o 。3 所引起的布里渊频移变 化4 吻约为5 0m h z 3 2 1 。 2 2 2 布里渊强度的温度和应变特性 根据瑞利散射强度公式【3 ”，布里渊散射强度可表示为 b = 只s a b w v 2 ( 2 1 3 ) 式中，凡为入射脉冲光功率，s 为布里渊散射的背向捕捉系数，a 口为布里渊散射损 耗系数，形为脉冲宽度，为光纤中的光速。s 可表示为【3 3 1 s = ( 旯玎) 2 4 n a 巧 ( 2 1 4 ) 式中，a 为真空中光波长，n 为纤芯折射率，彳谚为光纤有效面积，可表示为【3 4 】 = ( 8 3 ) ( z 3 2 4 ) k t ( n 8 p 1 2 2 p v 2 ) ( 2 1 5 ) 式中，k 为波尔兹曼常数，r 为绝对温度，p ，2 为光纤的弹光系数，p 为光纤材料的 密度，玩为光纤中声波的纵模声速。 由式( 2 - 1 3 ) 一( 2 - 1 5 ) 可知，布里渊强度也是温度和应变的函数，通过测量 光纤的布里渊强度也可以得到光纤的温度和应变信息。 2 2 2 1 布里渊强度的温度特性 当温度变化时，光纤的热胀冷缩必然导致光纤有效面积的变化，但这对布里渊 强度的影响很小，且分析较复杂。在忽略温度对光纤有效面积的影响的情况下，温 度主要通过参数刀、p 、来对布罩渊信号强度产生影响，将肌p 、乃表示为温度丁 的函数，则由式( 2 1 3 ) 一( 2 1 5 ) 可得布里渊强度 p a t ) = p o ( 2 n ( t ) ) 2 4 z a 够 ( 8 3 ) 0 r 3 3 , 4 ) k t n c t ) 8p 1 2 2 p ( t ) v a ( t ) 2 w v ( t ) 2 ( 2 1 6 ) 温度对折射率、杨氏模量、泊松比及密度的影响采用典型表达式【3 5 1 ，并取a = 1 5 5 0n m ，t = 2 9 8k ，w = 1 0a s ，标准单模光纤的有效面积彳够9 5x1 0 。1 1m 2 ，p 1 2 = o 2 7 ， 11 华北电力人学硕+ 学位论文 后= 1 3 8 x1 0 之3j k ，可以得到布罩渊强度与温度的关系式为 p 8 ( d = ( 2 0 4 + 0 0 0 7 t ) x1 0 1 0 ( 2 - 1 7 ) 通过计算( n ( 乃p b ( o ) ) t p b ( 0 ) 可以得到布里渊强度变化的温度系数约为0 3 4 k ， 与已报道的布里渊强度温度系数0 3 6 士0 0 6 k t 3 6 】结果一致。 2 2 2 2 布里渊强度的应变特性 当应变变化时，光纤的弹光效应使光纤材料的n 、p 、虼等发生变化。将n 、p 、 分别表示为应变柏函数，整理式( 2 - 1 3 ) 一( 2 1 5 ) 可得布罩渊散射强度与应变 的关系式