基于布里渊散射的双参量分布式光纤传感系统研究-光学工程硕士论文

单位代码 10293 密 级 专 业 学 位 硕 士 论 文 论文题目 基于布里渊散射的双参量分布式 光纤传感系统研究 1210032723 张丽娟 黄勇林 教授 工程硕士 申请 全日制 申请 光学工程 二 一三年二月 学号 姓名 导师 专业学位类别 类型 专业 领域 论文提交日期 Research on Dual parameter of Distributed Optical Fiber Sensing System based on Brillouin Scattering Thesis Submitted to Nanjing University of Posts and Telecommunications for the Degree of Master of Engineering By Zhang Lijuan Supervisor Prof Huang Yonglin Feb 2013 南京邮电大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得南京邮电大学或其它 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 本人学位论文及涉及相关资料若有不实 愿意承担一切相关的法律责任 南京邮电大学学位论文使用授权声明 本人授权南京邮电大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文 档 允许论文被查阅和借阅 可以将学位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 缩印或扫描等复制手段保存 汇编本学位论文 本文电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致 论文的公布 包括刊登 授权南京邮电大学研究生院办理 涉密学位论文在解密后适用本授权书 研究生签名 日期 研究生签名 导师签名 日期 I 摘要摘要 光纤传感技术是随着光纤通信技术的不断发展而逐渐形成的 与传统的传感器相比具 有显著的优势 分布式光纤传感器是利用光波在光纤中传输的特性 可沿光纤长度方向连 续地传感被测量的物理量 温度 压力和应力等 在现今的科学研究中得到了广大研究 员的关注 由于基于光时域反射 OTDR 技术和布里渊光频域分析 BOFDA 技术的分 布式光纤传感已经趋于完善 而基于布里渊光时域反射 BOTDR 分布式光纤传感技术的 研究正在不断的深入 其应用前景和发展空间也在不断的扩大 本论文首先简要介绍了分布式光纤传感的发展和研究现状 散射型分布式光纤传感器 以及基于布里渊散射的温度和应变同时传感的研究现状 接着详细描述了布里渊散射的传 感机理以及基于布里渊散射的分布式光纤传感的分类和特征参量 然后从理论上重点分析 了布里渊散射对系统温度和应变的影响 在此基础上推导出了布里渊频移和强度与温度和 应变之间的对应关系 最终得出光纤布里渊分布式传感系统的温度和应变同时测量的关系 式 通过详细的理论分析 提出了一种新型的 BOTDR 温度和应变测量系统 即基于 LPR 的外差检测系统 对该系统的 BOTDR 信号进行 Matlab 的仿真处理 并对整个 BOTDR 传 感系统的性能做了详细的分析 根据理论推导计算出了该系统的信噪比 并且推导出了其 温度和应变的分辨率 对该传感系统的空间分辨率 动态范围及测量时间做了详细的分析 研究 关键词关键词 分布式光纤传感 布里渊散射 BOTDR 温度 应变 Matlab II Abstract The fiber sensor technology has been froming with the optical fiber communication and the fiber sensor has many advantages which can t be found in ordinary sensors Distributed optical fiber sensor is the use of light in the fiber transmission characteristics the length direction of optical fiber sensor is continuously measured parameters temperature pressure and stress etc so it has been paid great attention in the current scientific research Because distributed optical fiber sensing technology which based on optical time domain reflectometer OTDR technology and Brillouin optical frequency domain analysis BOFDA has been perfecting But based on Brillouin optical time domain reflectometry BOTDR distributed optical fiber sensing technology is still in depth study so it has wide using area and development space This paper briefly introduces the development and research status of optical distributed fiber sensing scattering distributed fiber optic sensors and the research status of temperature and strain based on Brillouin scattering sensing research at the same time Detailed description of the sensing mechanism with Brillouin scattering Brillouin scattering distributed fiber sensing based classification and characteristic parameters Then the influence of temperature and strain about the brillouin scattering on the system is theoretically analyze the corresponding relations between the Brillouin frequency shift and intensity with temperature and strain is deduced on this basis finally draw the temperature and strain measuring simultaneously relation with Brillouin frequency shift and intensity Through the detailed theoretical analysis put forward a new kind of simultaneous measurement system of temperature and strain based on Landau Placzek Ratio LPR The BOTDR signal of the system is simulated from Matlab and the BOTDR sensing system performance has made the detailed analysis According to the theory of the system calculated the signal to noise ratio and the the resolution of temperature and strain At last this paper do a detailed analysis and research about the spatial resolution of the sensor system dynamic range and measuring the time Key words distributed optical fiber sensor Brillouin scattering BOTDR temperature strain Matlab III 目录目录 第一章 绪论 1 1 1 引言 1 1 2 分布式光纤传感技术 1 1 2 1 分布式光纤传感器概述 2 1 2 2 散射型分布式光纤传感器 3 1 2 3 分布式光纤传感技术的发展及现状 5 1 3 基于布里渊散射的温度和应变同时测量研究现状 6 1 3 1 布里渊散射谱的双参量同时测量方法 7 1 3 2 双布里渊频移同时测量的方法 8 1 3 3 联合拉曼散射和布里渊散射效应的方法 9 1 4 本论文的主要工作及内容安排 9 第二章 布里渊散射分布式光纤传感的相关理论分析 11 2 1 布里渊散射及其传感理论 11 2 1 1 布里渊散射 11 2 1 2 光纤布里渊分布式传感机理 12 2 2 基于布里渊散射的分布式光纤传感的分类 14 2 2 1 布里渊光时域反射技术 15 2 2 2 布里渊光时域分析技术 16 2 3 基于布里渊散射的分布式光纤传感的特征参量 17 2 4 本章小结 19 第三章 布里渊分布式传感系统与温度和应变的关系 20 3 1 布里渊散射的频移与温度和应变的关系 20 3 1 1 布里渊频移与温度的关系 20 3 1 2 布里渊频移与应变的关系 22 3 2 布里渊散射的强度与温度和应变的关系 25 3 2 1 布里渊强度与温度的关系 25 3 2 2 布里渊强度与应变的关系 28 3 3 光纤布里渊分布式传感系统的温度和应变同时测量 30 3 4 本章小结 32 第四章 BOTDR 双参量同时测量系统设计及性能分析 33 4 1 系统结构设计与原理 33 4 2 外差检测方法 34 4 2 1 外差检测法的原理 34 4 2 2 外差检测法的信噪比 36 4 3 BOTDR 系统的信号处理 37 4 3 1 布里渊信号的 Matlab 仿真 37 4 3 2 系统信号的处理及分析 39 4 4 BOTDR 系统性能分析 40 4 4 1 系统的信噪比 40 4 4 2 温度和应变的分辨率 42 4 4 3 系统的特征参量 44 4 5 本章小结 47 第五章 总结与展望 49 5 1 研究成果 49 IV 5 2 未来工作的展望 49 参考文献 50 致谢 54 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文 第一章 绪论 1 第一章 绪论第一章 绪论 1 1 引言引言 光纤就是光导纤维的简称 它是截面为圆形的介质光波导 光导纤维最早在光学行业 中用于传光及传像 在 20 世纪 70 年代初产出低损光纤后 光纤在通信技术中用于长距离 传递消息 但是光导纤维不仅可以作为光波的传播介质 而且光波在光纤中传播使表征光 波的特征参量 振幅 相位 偏振态 波长等 因外界因素 如温度 压力 磁场 电场 位移 转动等 的作用而间接地发生变化 从而可以将光纤用作传感原件来探测各种物理 量 1 传感技术是光纤通信高新技术领域最重要的一个分支 随着光纤通信技术的不断发 展 传感技术已被广泛应用于国防军工 工农业生产 交通运输 环境保护 生命科学 精密测量 安全监控 物联网以及家用电器智能控制等各个领域 在当今这个信息化的时 代 人们的认识及活动的范围在时间和空间上将向着无限 极端和崭新领域去拓展 开发 研制出各种性能高的传感器已经成为各种新型领域 关键项目的出发点和突破口 这些新 型领域和关键项目的突破将会在很大程度上推动人类科学技术的发展 从而改变人们的生 活方式 产生巨大的经济效益 因此 现代传感领域中领先研究的技术就是高性能的传感 器 光纤通信技术随着时代的进步在不断的发展 光纤传感技术也随之不断发展 与其它 传统的传感器相比 光纤传感器的主要特点如下 1 1 抗电磁干扰 电绝缘 耐腐蚀 本质安全 2 灵敏度高 3 重量轻 体积小 外形可变 4 测量对象广泛 5 对 被测介质的影响小 6 便于复用 便于成网 成本低 除此之外 光纤既可以用来作为探测元件 又可以用来作为传输元件使用 那么在光 纤线路上就能连接很多的光纤传感单元 不同的传输单元组成了大范围的传感系统 这就 方便了分布式传感的测量 2 1 2 分布式光纤传感技术分布式光纤传感技术 分布式光纤传感器是利用光波在光纤中传输的特性 可沿光纤长度方向连续地传感被 测量 温度 压力和应力等 此时 光纤既是传感介质 又是被测量的传输介质 传感 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文 第一章 绪论 2 光纤的长度可以从 1 千米达上百千米 1 2 1 分布式光纤传感器概述 分布式光纤传感器是一种光纤传感器 它有光纤传感器的优点之外 还具有无可比拟 的优点 1 空间范围大 分布式光纤传感器可在大范围连续进行传感 这是它突出的优 点 2 结构简单 使用方便 传感和传光在同一根光纤上的传感部分简单 使用时 也 只要将此传感光纤铺设到被测量处 3 性价比高 它可以在连续的大范围内进行实时测 量 因此在沿光纤长度范围内能获得大量的信息 大大降低了它的生产成本 分布式光纤传感器系统可以按照不同的方式进行分类 按传感原理可以分为散射型 干涉型 相位型 偏振型 荧光性 微弯型等分布式光纤传感系统 按照用途可以分为 分布式光纤温度传感器系统 分布式光纤压力传感器系统 分布式光纤应力 应变传感器系 统等 图 1 1 是分布式光纤传感器的系统原理图 它主要由光源 由激光器及其驱动单元构 成 传感 由传感光纤构成 信号处理和显示三部分组成 图 1 1 分布式光纤传感器的系统原理图 此系统在技术上要获得满足使用要求的结果 应该解决三大难题 一是功率大 窄脉 宽的激光输出 二是低噪声 高灵敏度的光探测 三是高速率的信号处理 分布式光纤传感器的主要特征参量是三个分辨率 空间分辨率 时间分辨率 被测量 温度 压力 应力等 分辨率 影响空间分辨率的因素是 泵浦脉冲的持续时间 探测 器的响应时间等 影响时间分辨率的因素是采样次数 计算平均的次数 影响被测分辨率 的因素是光源的功率 光探测器的灵敏度 光探测器的噪声 系统的耦合损耗等 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文 第一章 绪论 3 1 2 2 散射型分布式光纤传感器 利用光纤中拉曼 Raman 散射 布里渊 Brillouin 散射或瑞利 Rayligh 散射的 光强随温度等参量的变化关系以及光时域反射技术就可以构成分布式光纤温度传感器和 测量应力 应变等不同参量的分布式光纤传感器 这种传感系统研究的比较多 并且已经有 几种产品问世了 1 拉曼散射分布式光纤传感 当光波通过光纤时 光纤中的光学光子和光学声子发生非弹性碰撞 产生拉曼散射过 程 在自发拉曼散射中 斯托克斯光和反斯托克斯光的强度比和温度存在一定的关系 拉 曼散射型光纤传感器正是利用这一关系来实现传感的 基于拉曼散射分布式光纤传感 Raman optical time domain reflectometer ROTDR 技术的原理是 拉曼散射光中斯托克 斯光的强度与温度无关 而反斯托克斯光的强度会随温度变化 1962 年 观察到用很强的 泵浦光产生的受激拉曼散射 stimulated Raman scattering SRS 在介质中斯托克斯波迅 速增强 以致大部分泵浦光波的能量转移到斯托克斯波上 从此 人们对 SRS 进行了广泛 的研究 拉曼分布式温度传感器已经广泛地用于大空间范围的温度测量 主要是火警监控和报 警 例如在我国的某核电站已经安装了一套此检测系统 其空间分辨率是 1m 左右 在 2km 内温度测量精度能达到 1 2 布里渊散射分布式光纤传感器 布里渊散射分布式光纤传感器是利用布里渊散射和散射介质温度等参量之间的关系 进行传感 利用光时域反射技术定位以构成布里渊散射分布式光纤传感 自 1964 年首次观察到布里渊受激散射 stimulated Brillouin scattering SBS 以来 人 们已经对它进行了广泛的研究 SBS 类似于 SRS 它是通过相对于入射泵浦波频率下移的 斯托克斯波的产生来表现的 频移量由非线性介质决定 然而 它们两者之间存在着显著 的不同 主要是 一是散射光传输方向不同 单模光纤中由 SRS 产生的斯托克斯波具有前 后两个传输方向 而由 SBS 产生的斯托克斯波只有后向传输波 二是频移量不同 SBS 的 斯托克斯的频移 约 10GHz 比 SRS 的频移小三个量级 三是阈值特性不同 SBS 的阈值 泵浦光功率与泵浦光波的谱宽有关 对 CW 泵浦或是相对较宽的脉冲 大于 1s 泵浦 其阈值可低至约 1mW 而对脉宽小于 10ns 的短脉冲泵浦 SBS 几乎不会发生 所有这些 不同 起源于一个基本差别 即 SBS 中参与的是声频声子 而 SRS 中参与的是光频声子 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文 第一章 绪论 4 3 瑞利散射分布式光纤传感器 OBR 瑞利散射分布式光纤传感器是基于瑞利散射原理进行传感 用光干涉技术进行空间定 位 例如 当光纤受力时 其瑞利散射光强也随之变化 利用此效应即可构成分布式光纤 压力传感器 或分布式光纤应力 应变传感器 具体原理如图 1 2 所示 由激光器发出的宽 谱激光经光纤耦合器 C1 分成两束 一束为参考光 直接进入光探测器 另一束进入传感 光纤 由传感光纤中的背向瑞利散射光通过光纤耦合器 C2 和 C3 进入光探测器 是为传感 光 参考光和传感光在耦合器 C3处叠加 产生干涉效应 此干涉光经傅里叶变换等一系列 计算后 可确定被测量的大小和位置 图 1 2 分布式瑞利散射光纤传感器原理图 表 2 1 给出了基于光时域反射 OTDR 技术 布里渊光时域反射 BOTDR 技术 布里渊光时域分析 BOTDA 技术及布里渊光频域分析 BOFDA 技术的分布式光纤传 感器的特点以及它们的应用场合 3 表 2 1 几种分布式光纤传感器的特点及其应用场合 技术 优点 缺点 主要应用场合 基于 OTDR 能连续显示整个光纤线路 的损耗相对于距离的变 化 非破坏性测量 功能 多 使用方便 在使用时始终有一段盲区 从 光纤两端测出的衰减值有差 别 通常取平均值 光纤损伤点检 测 基于 BOTDR 对于单一分布参数的测量 有很高的精度和空间分辨 率 布里渊频移很小 且其线宽很 窄 要求激光器具有极高的频 率稳定性 极窄的 约 kHz 可调线宽 复杂又昂贵 目前 主要集中在温度和应力传感 应力 温度 基于 BOTDA 很高的精度和空间分辨 率 动态范围很大 系统较复杂 泵浦激光器和探 测激光器必须放在被测光纤 应力 温度 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文 第一章 绪论 5 的两端 实际应用存在一定的 困难 不能测断点 应用条件 受到限制 应力和温度引起的 变化比较难区分 基于 BOFDA 提高系统的相对灵敏度和 测温精度 扩展系统的功 能 降低成本 返回的信号很弱 对光源的要 求较高 温度 1 2 3 分布式光纤传感技术的发展及现状 分布式光纤传感技术是在 70 年代末提出来的 它是随着现在光纤工程中仍然非常广 泛应用的光时域反射 OTDR 技术的出现以及实践应用的要求而发展起来的 4 点式分 布式光纤传感技术和准分布式光纤传感技术在实际应用中存在很多局限性 而分布式光纤 传感技术克服了这些方面的局限性 通过研究现在已经产生了一系列的分布式光纤传感理 论和测量系统 并且逐渐应用于不同的领域中 分布式光纤传感器除了具有一般传感器的优良特性外 还可以在沿光纤路径上同时得 出被测量场在时间和空间上连续分布的信息 其在应用前景方面表现出独特的价值 目前 这项技术的很多应用都希望能同时得到温度和应变双参量的分布信息 由于分布式光纤温 度应力传感系统可以分布式的探测出光纤沿线不同位置的温度和应变的变化 其应用领域 主要有 电力行业 电力电缆的表面温度监测监控 事故点定位 电缆隧道 夹层的火情 监测 发电厂和变电站的温度检测 故障点的检测和火警报警 水利土木建筑行业 大坝 河堤的渗透 桥梁及其他混凝土结构裂变的监测 大型民用工程的结构健康监测 公路 地铁隧道行业 隧道 地铁 公路的火灾监测和报警 石油 天然气行业 石油 天然气 输送管线或储罐泄漏监测 油库 油管 油罐的温度监测及故障点的检测 尽管分布式光纤传感技术可以解决很多测量领域中的难题 但是仍然需要经过诸多方 面的研究 来实现快速稳定 可靠高效以及高精度的测量 实现多个化学参数或物理参数 温度和应变等 的同时测量 提高信号接收及处理系统的检测能力 提高测量系统的测 量范围及测量时间的减少 研究新型传感机理等 都将是今后研究的重点 总的来讲 基于瑞利散射和拉曼散射的传感技术已经趋于成熟 并逐渐用于实际生活 中了 但是布里渊散射传感技术的开始研究的比较晚 由于它在温度和应变测量过程中达 到的测量精度 测量范围以及空间分辨率都高于其他传感技术 所以目前这项技术已经得 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文 第一章 绪论 6 到了广泛的关注和研究 1 3 基于布里渊散射的温度和应变同时测量研究现状基于布里渊散射的温度和应变同时测量研究现状 布里渊散射谱是由 Ippen 于 1972 年在光纤中观察到的 5 在这个基础上 研究人员对 布里渊散射谱分析进行了研究和估计 得出了多模光纤 6 和单模光纤 7 9 的光学特性 1989 年 Culverhouse 在用高分辨率的共焦法布里珀罗 F P 干涉仪对光纤的布里渊频谱分析是 首次发现布里渊频移与温度变化的关系 10 并在此研究基础上提出了以布里渊散射进行分 布式温度传感的可能性 11 在同一年 日本安腾公司的 Horguchi 利用布里渊光时域反射 Brillouin Optical fiber Time Domain Analysis BOTDA 进行了光纤衰减特性的理论分析 12 和实验研究 13 在理论分析中表明利用 BOTDA 方法的动态范围性能比普通的 OTDR 技 术提高 10dB 与此同时 他还提出了布里渊频移因光纤的拉伸应变而产生的效应 14 布 里渊散射温度和应变传感机理的发现以及 BOTDR 技术的日渐成熟 让布里渊散射的光纤 传感技术得到广泛的重视 世界各国的科研人员不仅对这项技术有了浓厚的兴趣 而且对 此技术进行了大量研究 15 21 目前很多发达国家都在争先研究利用布里渊散射来检测光纤应变分布的技术 并且已 经取得了一些成果 对基于布里渊散射的分布式光纤传感技术的研究主要集中在三个方 面 布里渊光时域反射仪 BOTDR 布里渊光时域分析仪 BOTDA 和布里渊光频域分 析仪 BOFDA 22 BOTDR 分布式光纤传感技术是利用单一脉冲的布里渊散射来获取外 界环境因素信息的一种传感方法 BOTDA 分布式光纤传感技术是通过产生受激布里渊散 射来实现测量的一种传感方法 BOFDA 分布式光纤传感技术是一种基于测量光纤传输函 数的传感方法 由于 BOFDA 的系统复杂性使得生产成本的增加 而且对被测光纤所处的 环境要求也很高 因此很少对其进行研究 BOTDA 系统中 泵浦光和探测光注入到光纤 中 当泵浦光和探测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 两光束相互之间发生能量转移 目前 通过布里渊频移信号同时测量温度 和应变的研究正在广泛进行中 在 BOTDR 系统中 布里渊散射只占用了一小部分的探测 光 因此由微弱的光信号强度及光纤的固有损耗造成 BOTDR 的测量范围和测量精度受到 限制 不过 BOTDR 在实际应用中很方便 主要是由于其只需要单端入射 且结构简单 因此国内外目前对 BOTDR 方案的研究投入很多 目前已经报道的布里渊散射传感系统温度和应变同时测量的方法中 主要有三种 布 里渊散射谱的双参量同时测量方法 双布里渊频移同时测量的方法 联合拉曼散射和布里 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文 第一章 绪论 7 渊散射效应的方法 1 3 1 布里渊散射谱的双参量同时测量方法 从布里渊散射谱中可以知道它呈洛伦兹分布 布里渊散射谱中的线宽 频移和峰值参 量都可以用洛伦兹来表述 这些参量发生变化会引起光纤的温度和应变的对应发生改变 因此要同时实现温度和应变的同时测量 需要利用布里渊散射谱的参量与温度 应变之间 的对应关系 23 在目前的科学研究中 大多数利用布里渊频移 B 和布里渊强度 B P与温度 和应变之间的关系进行测量 布里渊频移 B 和强度 B P与温度和应变之间的关系式为 PPT B B TB CTC P P CTC 1 1 式中 B 表示布里渊频移的变化量 BB PP 表示布里渊强度的相对变化量 T 是光纤的 温度变化量 是光纤的应变变化量 T C 以及 C 分别表示布里渊频移的温度系数和应 变系数 PT C 以及 P C分别表示布里渊强度的温度系数和应变系数 由式 1 1 可以求出 T 和 因此待测场的温度信息和应变信息就可以得出了 通过频率扫描的方式将布里渊散射光 沿光纤分布的散射点中单个点所产生的 进行 曲线拟合 对其进行深入的分析研究 确定出布里渊的频移和强度 该方法中布里渊峰值 功率的变化会受到两方面的影响 一是温度和应变的变化 二是光纤的弯曲 接头和损耗 等自身因素 1996 年 T P Newson 等人第一次提出了利用 Landau Placzek Ratio LPR 来 实现温度测量的方案 24 由于瑞利散射信号对系统温度和应变的变化不敏感 因此该方案 利用这一特性来消除由光纤线路中其他因素的变化对布里渊强度的影响 本世纪初 T P Newson 等人又提出了一种直接检测温度和应变同时传感的系统 25 即基于马赫 曾德干 涉仪 MZI 传感系统 瑞利散射光强度 R P与布里渊散射光强度 B P之比被称为 LPR 即 B R P P LPR 1 2 由于马赫 曾德干涉仪具有窄带滤波的性质 利用这一特性就可以从背向散射信号中分 离出自发布里渊散射信号了 从而实现了自发布里渊信号的强度检测 马赫 曾德干涉仪的 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文 第一章 绪论 8 功率传输函数是入射光频率的函数 为了让散射信号的频率位于马赫 曾德干涉仪的功率传 输函数的线性部分上 就需要调节马赫 曾德干涉仪的自由程 这样就可以实现频移的检测 在这个方法中 要消除光纤的弯曲 接头和损耗对整个系统性能的影响 只要计算出瑞利 信号强度 R P和布里渊信号强度 B P的比值就可以了 1 3 2 双布里渊频移同时测量的方法 一般来说普通的单模光纤发生布里渊散时 产生的散射谱只有一个峰 然而有些特殊 的光纤会产生多个散射峰的 这是由光纤特殊的折射率和波导结构造成的 在本世纪初 C C Lee 等人发现大有效面积光纤 LEAF 的布里渊散射谱的多个峰中 每个峰值频率对 应的温度和应变系数是不相同的 要实现温度和应变的同时测量 26 只需要同时测量主 峰附近的两个峰值的频率 在 LEAF 中 第一布里渊峰值和第二布里渊峰值的温度和应变 系数是不同的 测量出这两个布里渊峰值频率的温度和应变系数 对应列出一个二元线性 方程组 求解该方程组 就可以同时得出温度和应变的信息了 以下方程组就是这两个布 里渊峰值频率的温度和应变系数的变化关系式 T CC CC T T 22 11 2 1 1 3 式中 1 和 2 分别表示布里渊峰一和布里渊峰二的频移变化量 1T C 和 1 C分别表示布 里渊峰一的温度和应变系数 2T C 和 2 C分别表示里渊峰二的温度和应变系数 T 和 分 别表示温度和应变的变化量 由 1 3 式可以求出T 和 也就是同时确定了光纤的温 度和应变信息了 2003 年 T P Newson 等人采用实验的方法 对比了普通单模光纤中布里渊频移与强度 和 LEAF 中布里渊的双频移 通过这种方法得出了两者的温度和应变的测量结果 由于后 者严苛的要求频率测量的精度 所以得到的应变精度比前者降低了 42 温度精度是前者 的 1 3 南京大学董玉明等人通过不断的实验 证明出了 LEAF 布里渊谱峰 1 和峰 3 的峰 值功率的差值是随应变呈线性增加的 且与温度无关 峰 1 峰 2 和峰 3 三个峰的布里渊 频移都是随温度和应变的增加而呈线性增加的 其中峰 2 的布里渊频移与温度和应变的关 系线性度最好 由此他们将峰 2 的频移联合上峰 1 及峰 3 的峰值功率的差值与应变的关系 得出了温度和应变的对应关系 从而实现了温度和应变的同时测量 温度测量精度大约是 8 应变测量精度大约是 130 27 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文 第一章 绪论 9 1 3 3 联合拉曼散射和布里渊散射效应的方法 通过不断的探索研究 T P Newson 等人在 2004 年又提出了一种温度和应变同时测量 的方法 该方法是联合拉曼散射和布里渊散射进行同时测量的方法 28 自发拉曼散射只对 温度敏感而对应变不敏感 利用这一特殊性质 利用分布式拉曼温度传感器可以检测出光 纤的温度信息 并且利用分布式布里渊传感器可以测出布里渊频移 其频移包含了温度和 应变的信息 那么就可以计算出光纤的应变信息了 利用分布式拉曼温度传感器测量瑞利 信号的光强时 通常情况下使用第二个光源 而且要归一化处理瑞利光强和拉曼信号光强 这样就能消除光纤的弯曲 接头和损耗对整个系统性能的影响了 归一化的拉曼光强变化 和温度变化的关系表示为 RTRR ClIlT 1 4 上式中 lTR 表示在l位置处的温度变化 lIR 表示光纤在位置l处的拉曼光强变化 RT C表示拉曼光强的温度系数 将温度对系统的影响从布里渊频移的测量结果中除去 就可以得出光纤在位置l处的 应变变化了 该应变的变化表示为 B RBTB C lTCl l 1 5 上式中 l B 表示光纤在位置l处的布里渊频移变化 BT C 表示布里渊频移的温度系数 B C表示布里渊频移的应变系数 1 4 本论文的主要工作及内容安排本论文的主要工作及内容安排 对于布里渊分布式光纤传感的温度和应变同时测量的方法 目前已经有了深入的理论 研究 已经报道的实验结果以及实际应用方面也有显著的成效 不过依然存在很多待解决 的问题 本文是对布里渊散射的双参量分布式光纤传感系统进行研究 主要内容分为以下 五章 第一章是对分布式光纤传感器的背景与现在研究的状况做了简要的概述 简单介绍了 分布式光纤传感器的分类和研究现状 布里渊散射的温度和应变同时传感的研究现状 重 点介绍了散射型光纤传感器以及目前已经报道的三种同时测量温度和应变双参量的布里 渊散射分布式光纤传感系统 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文 第一章 绪论 10 第二章主要是对布里渊散射分布式光纤传感的相关理论做了详细的分析 首先简要介 绍了布里渊散射过程及其传感机理 接着详细描述了基于布里渊散射的分布式光纤传感技 术的两个主要研究方案 基于布里渊光时域反射 BOTDR 技术的分布式光纤传感技术 基于布里渊光时域分析 BOTDA 技术的分布式光纤传感技术 最后简单概述了布里渊散 射分布式光纤传感系统主要的三个特征参量 第三章分析了传感光纤温度和应变这两个参量的变化对布里渊频移和强度的影响 并 给出了它们之间的函数表达式 在此基础理论上进一步给出了光纤布里渊分布式传感系统 中温度和应变同时测量的方法 为以后的研究工作奠定了理论基础 第四章给出了基于 LPR 的外差检测 BOTDR 温度和应变测量系统原理图 通过 Matlab 仿真出了布里渊散射信号 并对其进行分析处理 同时从系统信噪比 温度和应变的分辨 率及主要的特征参量这三个方面对该传感系统的性能做了详细分析 第五章对全文进行了总结 并提出了今后的工作方向 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文 第二章 布里渊散射分布式光纤传感的相关理论分析 11 第二章 布里渊散射分布式光纤传感的相关理论分析第二章 布里渊散射分布式光纤传感的相关理论分析 2 1 布里渊散射及其传感理论布里渊散射及其传感理论 光在光纤中传输会发生散射 包括由光纤折射率变化引起的瑞利散射 光学声子引起 的拉曼散射和声学声子引起的布里渊散射三种类型 其中 布里渊散射是入射光与声波或 传播的压力波 声学声子 相互作用的结果 依据导致弹性声波场产生的原因 布里渊散 射可以划分成自发布里渊散射和受激布里渊散射两种散射 2 1 1 布里渊散射 光纤是发生自发布里渊散射还是受激布里渊散射 主要取决于光纤中入射光强度的大 小 发生布里渊散射时会有一个阈值 当激光强度小于该阈值时会发生自发布里渊散射 而当激光强度大于该阈值时就发生了受激布里渊散射 由此我们知道 不论是产生自发布 里渊散射或者受激布里渊散射 最重要就是要控制入纤激光的强度 1 自发布里渊散射 自发布里渊散射是介质的宏观弹性振动 其振动的频率较低 自发布里渊散射过程可 以用不同的学科理论来描述 常见的描述是 在入纤激光强度很小的情况下 光纤内部材 料分子的布朗运动引发了声学噪声 该噪声在光纤的传输过程中会引起压力差 造成光纤 折射率的改变 那么传输光就产生自发散射了 不仅如此 光纤中声波的传播也会影响压 力差和折射率 使得它们呈周期变化 和传输光的频率相比 散射光的频率有了一个多普 勒频移 量子物理学的解释为 一个光子被一个声子散射成为另一个低频光子 即斯托克 斯光子 相反一个光子吸收了一个声子的能量转换成了高频光子 即反斯托克斯光子 那 么自发布里渊散射的光谱中具有斯托克斯谱和反斯托克斯谱 由于介质内的自发热运动所 产生的弹性声波场较弱 对其测量和观察较困难 一般采用法布里 珀罗干涉仪实现频率的 测量 2 受激布里渊散射 受激布里渊散射过程中的弹性声波场是通过电致伸缩效应而发生的 这种相干声波场 与入射激光耦合而产生受激布里渊散射的相干辐射 如果入射激光足够强 以至于介质内 电致伸缩效应产生的声波场和相应的光波场的增益大于它们各自的损耗 则将出现介质内 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文 第二章 布里渊散射分布式光纤传感的相关理论分析 12 感应声波场与布里渊散射光波场的受激放大 换句话说 在忽略不计声波能量的条件下 受激布里渊散射是泵浦光在电致伸缩材料中进行传播 且经历了一个光增益的过程 其原 理图如图 2 1 所示 图 2 1 受激布里渊散射的原理 受激布里渊散射的过程可以描述成 泵浦光在传输过程中会产生自发布里渊散射光 且它与泵浦光的传输方向相反 也就是反斯托克斯光 增加泵浦光的强度使得自发布里渊 散射光的强度也增加了 当增大到一定程度的时候 泵浦光和反斯托克斯光就会发生干涉 产生较强的干涉条纹 从而大大增加了光纤局部的折射率 在产生声波的过程中也就激发 了更多的布里渊散射光 且其又反过来增强声波 在它们相互间不断的过程中就增强了散 射 这一过程就是受激布里渊散射 受激布里渊散射过程既有斯托克斯光 又有反斯托克斯光 只有在入射光强度大于一 定的激励阈值的情况下 才会发生受激布里渊散射现象 在自发布里渊散射过程中为了防 止发生受激布里渊散射 对系统造成不利的影响 就需要对受激布里渊散射的阈值进行测 量 2 1 2 光纤布里渊分布式传感机理 布里渊散射是由光子和以声速传播的声子间的相互作用产生的 由于光学介质内大量 质点的统计热运功引起了弹性声波 使得介质密度随时间和空间发生周期性的变化 这样 振动介质可以看做是一个以一定速度运动着的光栅 该光栅具有一定的频率 因此 布里 渊散射可以看做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 对光栅来说 就是对应 于满足布拉格衍射条件 时 此频率的散射光强为极大值 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文 第二章 布里渊散射分布式光纤传感的相关理论分析 13 布里渊频移是指光纤中布里渊散射相对于泵浦光的频移 声波速度决定了布里渊频移 的大小 光纤内部的声波速度会因传感光纤的温度和应变受到影响 因此传感光纤的温度 和应变可以通过测量布里渊频移来得到 单模光纤中只存在背向布里渊散射 布里渊频移 B 为 a B n2 2 1 式中 n是光纤纤芯折射率 a 是声速 是入射光的波长 当波长为1550nm时 B 的 典型值为11GHz 光纤纤芯折射率n和声速 a 会受到温度和应变的影响 因此 测量传感 系统的温度和应变信息时 只要检测布里渊频移就可以了 甚至可以实现温度和应变双参 量的同时测量 声速 211 1 E a 2 2 式中 E 分别是杨氏模量 泊松比和光纤的材料密度 将式 2 2 带入式 2 1 中可以得到 2 11 12 En B 2 3 当光纤的温度或者应力发生变化时 光纤的相关特性如杨氏模量E 泊松比 材料 密度 折射率n及热膨胀系数会发生变化 即式 2 1 中n和 a 发生变化 因此布里渊 频移也随之变化 29 变化的关系式为 SS T1T TCT TBB 2 4 C BB 10 2 5 式中 T是温度 S T是参考温度 是光纤所受的应力 T C C分别是温度和应力的比 例系数 且 5 104 9 T C C 4 6 在式 2 4 中布里渊频移 B 与温度的关系主要是来自 光纤中声速的改变 表达式 2 6 为布里渊散射的增益函数 它也能表征布里渊散射光 即 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文 第二章 布里渊散射分布式光纤传感的相关理论分析 14 2 2 2 0 2 2 B B B B gg 2 6 其中 g0是布里渊散射光在峰值处的增益系数 B 是布里渊增益谱的半高全宽 gB是布 里渊散射光在峰值处的频率 Ba BB c pn gg 2 2 12 72 0 2 2 7 上式中 P12表示纵向弹光系数 c是光在真空中的传播速度 是入射光的波长 是光 纤的材料密度 增益函数谱的频谱宽度是由半高全宽 B 决定的 即 2 B w 声子寿命也和半高全 宽 B 有关系 即TB B B 取值范围0 10ns 我们知道增益函数谱与声波的声子寿 命有关系 因此它的频谱宽度是比较小的 大约是16MHz 布里渊散射可以用来作为分布式传感 不论是自发布里渊散射还是受激布里渊散射 自发布里渊散射信号较弱 因此需要较长的测量时间 但近年来随着掺铒光纤激光器和放 大器的进步 自发布里渊散射的信号有了极大的提高 受激布里渊散射需要两束反向激光 同时注入 它们之间波长相差布里渊频移 由于能量交换 布里渊散射光能够被放大 信 号幅度强 因此测量时间大大缩短 2 2 基于布里渊散射的分布式光纤传感的分类基于布里渊散射的分布式光纤传感的分类 目前 对基于布里渊散射的温度 应变传感技术的研究主要集中在三个方面 布里渊 光时域反射计 BOTDR 布里渊光时域分析法 BOTDA 布里渊频域分析法 BOFDA 不过最主要研究前两种方法 根据信号的检测方法分为 直接检测法 也叫反向传输光波 法 counter propagating method 和相关检测法 coherent detection method 目前 主要有两个布里渊散射的分布式光纤传感技术的研究方案 分别是 布里渊光 时域反射 BOTDR 的分布式光纤传感技术 布里渊光时域分析 BOTDA 的分布式光 纤传感技术 利用时域方法检测到的是布里渊散射光的时域波形 传感距离可达到几十千 米以上 BOTDR采用了自发布里渊散射 只需要单端测量 便于实际应用 而BOTDA 利用的是受激布里渊散射 需要双端测量 增加了系统的复杂度 但是提高了测量的精度 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文 第二章 布里渊散射分布式光纤传感的相关理论分析 15 2 2 1 布里渊光时域反射技术 布里渊光时域反射技术 Brillouin optical time domain reflectometry BOTDR 结合了 布里渊散射和光时域反射 OTDR 技术 采用OTDR来实现分布式测量 温度和应变信 息可以通过测量布里渊频移来得到 测量光纤不同位置处的布里渊散射频移 得出被测信 息的分布情况 BOTDR的基本原理如图2 2所示 图 2 2 BOTDR 的基本原理图 一个高功率 窄线宽 短脉冲光注入光纤 在后向反射端激发出布里渊散射 将脉冲 传输过程中的不同时间上后向散射光中的布里渊频移测量出来 就可以得到沿光纤的应变 场分布 但一个脉冲注入非常微弱 必须重复测量 再用积分的方法才能将信号提取出来 距离光纤前段为l的一小段光纤l d产生的后向布里渊散射光强为 lllp n c glP lBB 2 expd 2 d 2 8 2 2 2 0 2 2 BB B B g g 2 9 n ct l 2 2 10 式中 l是距离光纤前端的距离 lp是l点的入射脉冲光峰值功率 是布里渊散射光的 频率 B 是增益为峰值 0 g的频率 B g 是具有洛伦兹函数的布里渊增益谱 c是光在 真空中的速度 n是光纤的折射率 z 是光纤的损耗系数 B 是布里渊增益谱的半高全 宽 t是入射光脉冲与被接收机探测到的背向散射光的时间间隔 BOTDR分布式传感技术与光时域反射计 OTDR 技术有很多相似的地方 OTDR检 测是通过将光脉冲注入到光纤中 当光脉冲在光纤中传输时 会由于光纤本身的性质 连 接器 接头 弯曲或其他类似的事件而产生散射 反射 其中一部分的散射光和反射光将 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文 第二章 布里渊散射分布式光纤传感的相关理论分析 16 经过同样的路径延时返回到输入端 OTDR根据入射信号与其返回信号的时间差 或延时 就可以计算出上述时间点与OTDR的距离了 BOTDR中 不发生瑞利散射 而是由背向 的自发布里渊散射代替 系统的温度和应变信息只要通过测量布里渊散射就可以得到了 这一技术是用脉冲光激励产生的背向自发布里渊散射 在仪器的输出端只有一根光 纤 不仅光路结构简单 而且符合工程应用的要求 因此应用场合广 但是BOTDR中的 自发布里渊散射光比较微弱 并且布里渊频移很小 测量频移的技术难度非常大 目前主 要采用了光学滤波和光学相干检测技术来测量布里渊频移 这种技术的优点在于 光学相干检测和电外差都很容易实现 测量分辨率高 技术的 适用性强 因此是目前发展的一种主流技术 2 2 2 布里渊光时域分析技术 由于自发布里渊散射较弱 为了获得较好的信噪比 可以利用受激布里渊散射进行分 布式测量 布里渊光时域分析技术 Brill