基于布里淵散射的分布式溫度傳感系統(tǒng)

1、精品文檔 基于布里淵散射的分布式溫度傳感系統(tǒng)摘要本文綜述了分布式傳感技術(shù)的研究動(dòng)態(tài)和新進(jìn)展，從理論上分析了光纖中的布里淵散射及布里淵頻移、強(qiáng)度與光纖溫度的關(guān)系，闡述了基于光時(shí)域反射計(jì)(OTDR)的分布式傳感原理，并簡(jiǎn)述了基于布里淵光時(shí)域反射計(jì)和布里淵光時(shí)域分析技術(shù)的測(cè)溫方案，針對(duì)布里淵散射光檢測(cè)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種能實(shí)現(xiàn)高空間分辨率、高測(cè)量精度的溫度傳感系統(tǒng)。關(guān)鍵詞布里淵散射；分布式光纖傳感；OTDR；溫度引言20世紀(jì)70年代初以來(lái)，隨著第一代低損耗光纖的研制成功，光纖技術(shù)在通信、傳感和光學(xué)信息處理等方面得到了廣泛的應(yīng)用和迅速的發(fā)展。光纖傳感技術(shù)是上個(gè)世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的光纖應(yīng)用技術(shù)，是信息社

2、會(huì)的一個(gè)重要技術(shù)基礎(chǔ)，在當(dāng)代高科技中占有十分重要的位置。隨著不同系統(tǒng)工程自動(dòng)化程度和復(fù)雜性的增加，對(duì)傳感器的精度、可靠性、響應(yīng)靈敏度及經(jīng)濟(jì)實(shí)用性的要求越來(lái)越高。光纖傳感技術(shù)正是適應(yīng)這種要求，隨著光纖和光纖通信技術(shù)的迅速發(fā)展的趨動(dòng)而產(chǎn)生的。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于光纖傳感器的研究主要集中在單點(diǎn)式光纖傳感器、準(zhǔn)分布式光纖傳感器和分布式光纖傳感器三個(gè)方面。分布式光纖傳感技術(shù)具備提取大范圍測(cè)量場(chǎng)的分布信息的能力，能夠解決測(cè)量領(lǐng)域的眾多難題，因此，具有巨大的應(yīng)用潛力，是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的溫度傳感方法弊端眾多，如電傳感器無(wú)法應(yīng)用到水下或者其他惡劣環(huán)境，封裝非常復(fù)雜，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、點(diǎn)測(cè)量而不能分布式測(cè)

3、量，使得監(jiān)測(cè)不全面等等，因此亟需能夠適應(yīng)惡劣環(huán)境、實(shí)時(shí)地分布式溫度檢測(cè)技術(shù)?；诓祭餃Y散射的分布式光纖傳感技術(shù)即能夠滿足這種需求，其優(yōu)越性除了得益于光纖本身的特性外還可以實(shí)現(xiàn)分布式溫度應(yīng)變測(cè)量。1. 光的散射當(dāng)光波射入介質(zhì)中時(shí)，若介質(zhì)中存在某些不均勻性使光波的傳播發(fā)生變化，這就是光散射。可以認(rèn)為光與介質(zhì)間的作用有3種：一是若介質(zhì)均勻，且不考慮熱起伏，光通過(guò)介質(zhì)后不發(fā)生任何變化，沿原光波傳播方向進(jìn)行，與介質(zhì)間無(wú)任何作用；二是若介質(zhì)有某種起伏，不很均勻，光波與介質(zhì)中不均勻物質(zhì)作用后被散射到其他方向，但該起伏與時(shí)間無(wú)關(guān)，散射光的頻率就不會(huì)發(fā)生變化，只是波矢方向受到偏射，這就是彈性散射；三是若介質(zhì)中的

4、不均勻性隨時(shí)間變化，光波與這些起伏交換能量，使散射光的能量，即頻率發(fā)生變化，就產(chǎn)生非彈性散射。光纖中的光散射主要是由光纖的非結(jié)晶材料在微觀空間的顆粒狀結(jié)構(gòu)和玻璃中存在的像氣泡這種不均勻結(jié)構(gòu)引起的。光散射會(huì)引起光功率分散，使能量在各方向上均有分布，由于單模光纖只存在前向和后向傳導(dǎo)模，所以光在單模光纖中只存在前向散射光和后向散射光。1.1 光纖中的后向散射理論光散射是光在介質(zhì)中傳播過(guò)程中發(fā)生的一種普遍現(xiàn)象，是光與物質(zhì)相互作用的一種表現(xiàn)形式。當(dāng)光波在介質(zhì)中傳播時(shí)，大部分光波是前向傳播的，有一小部分會(huì)偏離原來(lái)的傳播方向而發(fā)生散射。產(chǎn)生光散射的原因概括的說(shuō)，在宏觀上可看作是介質(zhì)的光學(xué)不均勻性或折射率的不

5、均勻性所引起的；從電磁輻射理論的分析，則歸結(jié)為由于介質(zhì)在入射光波場(chǎng)作用下產(chǎn)生的感應(yīng)電極化，由感生振蕩電偶極子(或磁偶極子、電四極子)成為散射光的電磁輻射源。實(shí)際觀察到的散射光是大量散射源所產(chǎn)生的散射光的疊加。對(duì)傳導(dǎo)光波的光纖而言其散射主要是光纖中非結(jié)晶材料在微觀空間的顆粒狀結(jié)構(gòu)和玻璃中存在的像氣泡這種不均勻結(jié)構(gòu)所引起的。在散射過(guò)程中散射光不僅在傳播方向上與泵浦光不同，而且部分散射光的偏振態(tài)，頻譜特征與泵浦光也不同，光散射的特性與介質(zhì)的成分、結(jié)構(gòu)、均勻性及物態(tài)變化都有密切的關(guān)系。從量子理論的觀點(diǎn)來(lái)看，光散射是光子與傳輸介質(zhì)中的粒子發(fā)生彈性或非彈性碰撞引起的，在非彈性碰撞過(guò)程中發(fā)生能量的轉(zhuǎn)移。根據(jù)

6、量子理論，介質(zhì)中的分子或粒子從光線中所吸收的光子能量可由下式表示： (1-1)式中，吸光物質(zhì)的較高能級(jí)；吸光物質(zhì)的基態(tài)能級(jí)；普朗克(Plank)常數(shù)；光的頻率；光的波長(zhǎng)；真空中的光速。光纖中的光散射主要包括由光纖中折射率分布不均引起的瑞利散射(Rayleigh Scattering)；由光學(xué)聲子引起的拉曼散射(Raman Scattering)和由聲波或聲學(xué)聲子引起的布里淵散射(Brillouin Scattering)三種類型的光散射。其中瑞利散射是由于光與物質(zhì)發(fā)生的彈性碰撞，散射光頻率不發(fā)生變化，而拉曼散射和布里淵散射是光與物質(zhì)發(fā)生的非彈性碰撞，其散射光頻率發(fā)生變化，其中，布里淵散射光與入

7、射光的頻差為幾十吉赫茲，拉曼散射光與入射光的頻差為幾十太赫茲。它們的頻譜分布如圖1-1所示。圖1-1 光纖中后向散射光的頻譜分析在光纖背向散射頻譜分布圖中，激發(fā)線兩側(cè)的頻譜是成對(duì)出現(xiàn)的，在低頻一側(cè)的散射光為斯托克斯光(Stokes)；在高頻一側(cè)的散射光為反斯托克斯光(Anti-Stokes)，它們同時(shí)包含在拉曼散射和布里淵散射中。布里淵散射是入射光波場(chǎng)與介質(zhì)內(nèi)彈性聲波場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生的一種光散射現(xiàn)象。依據(jù)彈性聲波場(chǎng)產(chǎn)生的原因，它可分為自發(fā)布里淵散射和受激布里淵散射。前者是介質(zhì)內(nèi)的自發(fā)熱運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的彈性聲波場(chǎng)引起的，是宏觀彈性振動(dòng)，其振動(dòng)的頻率較低；而后者彈性聲波場(chǎng)是通過(guò)電致伸縮效應(yīng)而發(fā)生的。1

8、.2 自發(fā)布里淵散射自發(fā)布里淵散射可以看作是一種在泵浦光功率不太高的情況下所產(chǎn)生的一種非線性自發(fā)光散射過(guò)程。自發(fā)散射中散射粒子的運(yùn)動(dòng)是無(wú)規(guī)則的，因此散射光子是非相干的。根據(jù)量子理論，在入射光作用下，物質(zhì)吸收一個(gè)入射光子后躍遷到某一能級(jí)。在由該能級(jí)躍遷到比原來(lái)能級(jí)低或高的能級(jí)時(shí)，將發(fā)散出與入射光頻率不同的散射光子，如圖1-2 所示(圖中)。圖1-2 斯托克斯線和反斯托克斯線分布圖圖中向低頻方向頻移的散射光譜線叫做斯托克斯線(Stokes)。向高頻方向頻移的散射光譜線叫做反斯托克斯線，這里是物質(zhì)的固有特征頻率。用經(jīng)典理論也可以解釋布里淵散射，任何介質(zhì)在常溫狀態(tài)下，均存在著由其組成粒子(原子、分子或

9、離子)自發(fā)熱運(yùn)動(dòng)所形成的連續(xù)彈性力學(xué)振動(dòng)，這種彈性振動(dòng)將引起介質(zhì)密度隨時(shí)間和空間周期性起伏，相應(yīng)地在介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)自發(fā)的聲波場(chǎng)，當(dāng)光射入介質(zhì)時(shí)，將受到介質(zhì)內(nèi)自發(fā)聲波場(chǎng)的散射作用，產(chǎn)生自發(fā)布里淵散射。如圖1-3所示(以Stokes 光為例)。布里淵散射場(chǎng)所服從的受激波動(dòng)方程： (1-2)圖1-3 自發(fā)布里淵散射示意圖布里淵散射正是由式(1-2)所描述的散射場(chǎng)產(chǎn)生的。前已敘述，布里淵散射光譜在激發(fā)線的兩側(cè)成對(duì)出現(xiàn)斯托克斯和反斯托克斯兩條譜線，同樣，在式(1-2)所描述的布里淵散射場(chǎng)所服從的波動(dòng)方程中，存在兩個(gè)和對(duì)稱的項(xiàng)，它們正好就對(duì)應(yīng)了布里淵散射的兩條散射譜線。1.3 受激布里淵散射由于構(gòu)成光纖

10、的硅材料是一種電致伸縮材料，當(dāng)大功率的泵浦光在光纖中傳播時(shí)，其折射率會(huì)增加，產(chǎn)生電致伸縮效應(yīng)，從而導(dǎo)致大部分傳輸光被轉(zhuǎn)化為反向傳輸?shù)纳⑸涔猓a(chǎn)生另外一種布里淵散射過(guò)程(受激布里淵散射)。在實(shí)際的受激布里淵散射過(guò)程中，第一階段一般是斯托克斯光的產(chǎn)生過(guò)程，入射激光的一部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娭律炜s效應(yīng)感應(yīng)產(chǎn)生的聲波場(chǎng)能量，并同時(shí)產(chǎn)生向低頻方向移動(dòng)的斯托克斯散射光。當(dāng)這種過(guò)程進(jìn)行到一定的程度以至于介質(zhì)內(nèi)的感應(yīng)聲波場(chǎng)足夠強(qiáng)時(shí)，便開(kāi)始第二階段的反斯托克斯散射光的產(chǎn)生過(guò)程。此時(shí)，介質(zhì)吸收一部分入射的激光束和聲波的能量，同時(shí)產(chǎn)生向高頻方向移動(dòng)的反斯托克斯散射光，這就是受激布里淵散射(SBS)。相對(duì)于光波而言，聲波的

11、能量可以忽略，因此在不考慮聲波的情況下，這種SBS過(guò)程可以概括為頻率較高的泵浦光的能量向頻率低的斯托克斯光轉(zhuǎn)移的過(guò)程。這樣受激布里淵散射可以看成僅僅是在有泵浦光存在的情況下在電致伸縮材料中傳播的斯托克斯光經(jīng)歷了一個(gè)光增益的過(guò)程。2. 基于布里淵光時(shí)域反射計(jì)(OTDR)的分布式傳感原理基于OTDR的分布式傳感原理如圖2-1所示，要實(shí)現(xiàn)分布式傳感功能首先要對(duì)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行定位，然后對(duì)散射光的強(qiáng)度或散射光的頻率進(jìn)行測(cè)量。圖2-1 基于OTDR的分布式傳感原理圖(1) 散射點(diǎn)的定位脈沖光在傳輸?shù)耐瑫r(shí)，不斷產(chǎn)生背向散射光，由時(shí)鐘電路計(jì)算入射光和接收到散射光的時(shí)間差，可實(shí)現(xiàn)散射點(diǎn)的定位。假設(shè)在時(shí)刻，脈沖光入射

12、到光纖，經(jīng)過(guò)時(shí)間接收到散射光，則光傳播的距離為： (2-1)其中，C為真空中的光速，n為光纖的折射率。散射光沿與入射光相同的路線返回，則散射點(diǎn)所處位置為： (2-2)這樣便實(shí)現(xiàn)了散射點(diǎn)的定位。(2) 散射頻率的測(cè)量布里淵散射頻率與光纖的溫度和應(yīng)變有關(guān)。布里淵散射信號(hào)的頻率信息如何獲得是傳感系統(tǒng)中非常重要的問(wèn)題。目前布里淵頻移的測(cè)量主要采用光域外差或電域外差方法，調(diào)整布里淵散射信號(hào)中心頻率，或調(diào)整本振信號(hào)的頻率，以改變本振與散射信號(hào)的差頻信號(hào)的中心頻率，使不同頻率成份的信號(hào)依次通過(guò)帶通濾波器，得到一系列的測(cè)試曲線，達(dá)到對(duì)整個(gè)信號(hào)譜進(jìn)行掃描的效果，然后對(duì)沿光纖分布的每個(gè)點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行曲線擬合，找

13、到幅度最大的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率，該頻率即為該點(diǎn)的布里淵頻移。(3) 散射光強(qiáng)度測(cè)量假設(shè)在理想情況下，光纖結(jié)構(gòu)均勻且沒(méi)有受到外界調(diào)制作用，可以認(rèn)為光纖的吸收損耗和散射損耗系數(shù)均為常數(shù)，此時(shí)光在光纖中的功率可表示為： (2-3)式中，為散射點(diǎn)的泵浦光功率；為入射端的光脈沖功率；L為散射點(diǎn)距入射端的距離；為散射損耗系數(shù)；為吸收損耗系數(shù)。由此可以得到散射點(diǎn)的背向散射光功率為： (2-4)式中，S為背向捕捉系數(shù)。對(duì)于均勻的單模光纖，背向捕捉系數(shù)為常數(shù)。所以在沒(méi)有外調(diào)制的情況下散射光功率呈指數(shù)規(guī)律平滑下降。然而，實(shí)際光纖系統(tǒng)中，由于光纖的不均勻，或存在熔接點(diǎn)、活動(dòng)連接器等，使散射強(qiáng)度曲線一般如圖2-2所示。圖2

14、-2 基于OTDR的背向散射測(cè)量曲線由圖2-2可以看出，每段光纖都按指數(shù)規(guī)律平滑衰減，當(dāng)遇到活動(dòng)連接器或光纖始端、末端時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的端面反射，并產(chǎn)生損耗，遇到熔接點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生熔接損耗，使散射強(qiáng)度突然下降。在布里淵散射中，光纖溫度或應(yīng)力的變化會(huì)導(dǎo)致散射損耗系數(shù)的變化，此時(shí)的散射曲線就會(huì)受溫度或應(yīng)力的影響。圖2-3為沿光纖分布的溫度不一致的情況下的一個(gè)散射曲線測(cè)試實(shí)例。從圖2-3中可以看出，光纖溫度高的部分散射強(qiáng)度明顯增大。因此，可以通過(guò)背向散射光的強(qiáng)度來(lái)確定沿光纖分布的溫度或應(yīng)變信息。因?yàn)楣饫w布里淵強(qiáng)度的應(yīng)變系數(shù)僅為左右，靈敏度較低，所以用布里淵強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行光纖溫度的測(cè)量更容易實(shí)現(xiàn)些。圖2-3 光纖溫

15、度傳感測(cè)試曲線3. 溫度傳感系統(tǒng)在文研究中，利用布里淵散射的頻移與溫度之間的調(diào)制關(guān)系來(lái)確定傳感光纖上溫度分布情況。布里淵散射是由固體中的聲學(xué)聲子引起的非彈性散射，布里淵散射的頻移主要由介質(zhì)的聲學(xué)特性、彈性力學(xué)和熱彈性力學(xué)特性所決定的。故通過(guò)溫度對(duì)光纖中布里淵散射的頻移的影響進(jìn)行分析，建立布里淵頻移與溫度的直接對(duì)應(yīng)關(guān)系。3.1 系統(tǒng)傳感原理布里淵散射DOFS利用的是光纖的布里淵散射，在普通石英單模光纖中，布里淵散射光的頻移與光纖的有效折射率和超聲聲速有關(guān)，而溫度和應(yīng)力都能改變光纖的折射率和超聲聲速，所以只要檢測(cè)光纖中布里淵頻移的變化，就可得到溫度或應(yīng)力在光纖上的分布。當(dāng)溫度變化時(shí)，溫度通過(guò)熱光效

16、應(yīng)使光纖折射率發(fā)生變化，而溫度對(duì)聲速的影響是通過(guò)對(duì)，和的調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此，和以及均為溫度的函數(shù)，不妨記為、和，于是布里淵頻移可表示為溫度的函數(shù)： (3-1)溫度對(duì)密度和折射率的影響是通過(guò)熱膨脹效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，所以有必要對(duì)光纖的熱膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系進(jìn)行分析。(1) 光纖的熱膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系光纖會(huì)因溫度改變而發(fā)生長(zhǎng)度變化，這種變化用線膨脹系數(shù)來(lái)描述。如果長(zhǎng)度為的光纖因溫度上升而增長(zhǎng)，則光纖材料的線膨脹系數(shù)由以下方程確定： (3-2)對(duì)于給定的材料，值不是常數(shù)，而是隨溫度變化而略有變化，是隨著溫度在一定范圍內(nèi)近似線性變化的量，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出與溫度的關(guān)系式為： (3-3)(2) 光纖密度與溫

17、度的關(guān)系設(shè)一段光纖的質(zhì)量為，初始溫度為，此時(shí)光纖的半徑和長(zhǎng)度分別為和。當(dāng)該段光纖的溫度變化到時(shí)，密度為： (3-4)由于是隨著溫度變化的量，可知密度與溫度之間存在線性關(guān)系。通過(guò)熱膨脹系數(shù)可得光纖材料密度和溫度之間的關(guān)系式為： (3-5)(3) 光纖折射率與溫度的關(guān)系光纖折射率與溫度的關(guān)系可表示為： (3-6)式中，為折射率的溫度系數(shù)。通常，溫度對(duì)折射率的影響，都與熱膨脹系數(shù)聯(lián)系在一起： (3-7)由式(3-7)可以看出是一個(gè)隨溫度變化的量，所以折射率和溫度之間存在近似的線性關(guān)系。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合可得到光纖材料折射率與溫度之間的關(guān)系式為： (3-8)(4) 楊氏模量與溫度的關(guān)系在-50

18、1000的范圍內(nèi)，楊氏模量與溫度之間具有線性關(guān)系，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到楊氏模量與溫度的關(guān)系為： (3-9)(5) 泊松比與溫度的關(guān)系剪切模量G同樣是溫度變化的線性函數(shù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出剪切模量與溫度的關(guān)系為： (3-10)根據(jù)泊松比的定義、楊氏模量的定義和光纖材料的各向同性，可得出的表達(dá)式為： (3-11)其中，表示無(wú)量綱的溫度變化。由式(3-9)、(3-10)和式(3-11)可得出泊松比與溫度的關(guān)系式為： (3-12)將式(3-5)、(3-8)、(3-9)和(3-12)，代入式(3-1)并進(jìn)行曲線擬合，可得到布里淵頻移和溫度的關(guān)系式為：Hz (3-13)對(duì)于基于自發(fā)布里淵散射的B

19、OTDR，由于自發(fā)布里淵散射光較微弱，且自發(fā)布里淵散射光和瑞利散射光的頻移只有11 GHz左右，需使用合適的檢測(cè)機(jī)制來(lái)得到自發(fā)布里淵散射光信號(hào)。光相干檢測(cè)方法一方面可通過(guò)光相干來(lái)直接放大檢測(cè)信號(hào)，另一方面可使用電濾波來(lái)區(qū)分自發(fā)布里淵散射光和瑞利散射光，是一種較為有效的信號(hào)處理方法。3.2 溫度傳感系統(tǒng)圖3-1為基于布里淵光時(shí)域反射計(jì)法的分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。作為一個(gè)傳感系統(tǒng)，系統(tǒng)中的每一部分對(duì)整個(gè)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)都起著重要的作用。根據(jù)系統(tǒng)各部分的功能我們可以將系統(tǒng)分為光源、傳感光纖、信號(hào)檢測(cè)及信號(hào)處理四部分。圖3-1所示系統(tǒng)中采用線寬小于1 MHz的光纖激光器作為單一光源，經(jīng)耦合器F

20、C1分成兩路光。一路光進(jìn)入調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制，得到符合要求的脈沖光，該脈沖光的各種參數(shù)，如脈寬、發(fā)生頻率等均由調(diào)制器的電脈沖控制決定。然后該脈沖光進(jìn)入摻鉺光纖放大器中進(jìn)行放大，該摻鉺光纖放大器的結(jié)構(gòu)采用雙向泵浦結(jié)構(gòu)，既具有較高增益，又具有較低的噪聲。產(chǎn)生的激勵(lì)光脈沖從傳感光纖的一個(gè)端口入纖，引發(fā)布里淵后向散射信號(hào)。該散射信號(hào)包括瑞利散射光、布里淵散射光和拉曼散射光，由于拉曼散射光與瑞利散射光的距離較遠(yuǎn)，相差約100 nm，則普通的濾波器即可將拉曼散射光濾除，而瑞利散射光可有之后的相干檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行濾除；另一路光由微波電光調(diào)制，來(lái)產(chǎn)生約11 GHz頻移的參考光，參考光經(jīng)耦合器FC2和脈沖激勵(lì)光產(chǎn)生的自

21、發(fā)布里淵散射光合在一起，進(jìn)行光相干檢測(cè)，光電信號(hào)先進(jìn)行混頻把外差頻帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為基帶信號(hào)，再被放大、濾波和A/D轉(zhuǎn)換后，經(jīng)BOXCAR圖3-1 BOTDR分布式光纖傳感系統(tǒng)累加平均，最后由計(jì)算機(jī)進(jìn)行布里淵散射光頻移信息的提取和傳感信號(hào)的計(jì)算。另外，在系統(tǒng)中采用正交偏振控制來(lái)抑制布里淵傳感信號(hào)的偏振相關(guān)性，由偏振控制器來(lái)完成偏振控制。其中，激勵(lì)光的頻率為，其在傳感光纖中產(chǎn)生的布里淵散射光頻率為，瑞利散射光頻率為；參考光的頻率為，為了相干信號(hào)電子處理方便，其大小一般和相近；散射光和參考光相干接收后產(chǎn)生的光電信號(hào)中，由布里淵散射光產(chǎn)生的信號(hào)頻率為，一般為幾十兆赫茲到幾百兆赫茲的較低頻率，而由瑞利散射光

22、產(chǎn)生的信號(hào)頻率為，為11 GHz左右的微波頻率。兩信號(hào)頻率差異很大，因此容易從總的光電信號(hào)中取出布里淵散射光信號(hào)。相干光電信號(hào)再由基于BOXCAR的電處理系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)處理，得到自發(fā)布里淵散射光頻移，從而可計(jì)算得到沿光纖的溫度或應(yīng)變分布。4. 系統(tǒng)各部分功能介紹系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程，系統(tǒng)中各部分性能指標(biāo)直接關(guān)系到系統(tǒng)整體性能的好壞，下面通過(guò)介紹系統(tǒng)中的幾個(gè)關(guān)鍵部分，包括光源、調(diào)制、放大、信號(hào)處理等幾部分的原理及其在系統(tǒng)中的功能，來(lái)說(shuō)明該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想。4.1 光源部分光源線寬越窄，布里淵散射效率越高，且所獲得的布里淵散射譜越窄，最終系統(tǒng)的測(cè)量精度也就越高，所以光源線寬是一個(gè)非常重要的參

23、數(shù)。其次是光源的功率，光源發(fā)射的功率在不產(chǎn)生受激布里淵散射的條件下應(yīng)盡量大些，光功率越大，布里淵散射信號(hào)越強(qiáng)，相應(yīng)的系統(tǒng)的信噪比越高。除此之外，系統(tǒng)對(duì)光源的穩(wěn)定性要求很高，盡管外差檢測(cè)方法能消除光源頻率漂移帶來(lái)的影響，但光源的強(qiáng)度噪聲對(duì)系統(tǒng)也會(huì)造成影響，所以在選擇光源時(shí)要考慮光源的穩(wěn)定性。激光器既可工作在連續(xù)狀態(tài)下，又可工作在具有短暫輸出特性的脈沖模式狀態(tài)下。根據(jù)工作方式的不同，激光器的輸出功率也不同，小至微瓦級(jí)，大至兆瓦級(jí)。激光器的相干性和模式，應(yīng)有良好的空間相干性和時(shí)間相干性，并且最好只有一種光模式輸出。半導(dǎo)體激光器體積小、價(jià)格低、效率高，以其高功率密度并具有極高的量子效率而作為理想光源廣

24、泛地應(yīng)用于光纖通訊及傳感領(lǐng)域。在本系統(tǒng)中激光器的選擇十分重要。因?yàn)樵谄胀▎文９饫w中的后向布里淵散射光的頻率和瑞利散射光的頻率很接近，大約相差11 GHz(對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)差約為88 pm)，而且布里淵散射光的3 dB帶寬也很窄，大約幾十MHz，所以入射光的線寬要很窄，否則就無(wú)法區(qū)別出后向散射光中的布里淵成份和瑞利成份。本系統(tǒng)采用的是線寬很窄的分布式反饋激光器(Distributed feedback laser diode)。其模塊可以被外部強(qiáng)度調(diào)制器調(diào)制，具有保偏光纖的尾纖，能夠直接與外部調(diào)制器連接，而不需要偏振控制器。它屬于strained多量子井DFB激光模塊，內(nèi)部有光隔離器，熱電制冷器(TE

25、C)，電熱調(diào)制器和功率監(jiān)測(cè)光電二極管，而且是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)封裝的14腳蝴蝶形模塊。圖4-1是該激光器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。該DFB激光器功率輸出達(dá)到40 mW，邊模抑制比(SMSR)高達(dá)45 dB，線寬小于l MHz。圖4-1 DFB激光器內(nèi)部結(jié)構(gòu)4.2 調(diào)制部分如果入射到光纖中的光為連續(xù)光，則在整個(gè)光纖中的散射光會(huì)發(fā)生混疊，將無(wú)法區(qū)分被測(cè)量沿光纖的分布狀況，所以必須把光源調(diào)制成脈沖光?；陔姽庑?yīng)的電光調(diào)制器具有開(kāi)關(guān)速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在光纖通信或光纖傳感系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。常用的電光調(diào)制器采用鈮酸鋰(LiNbO3)晶體作為電光材料，制作成馬赫曾德(Mach-Zehnder)干涉儀的結(jié)構(gòu)，將輸入的連續(xù)

26、光分成兩路相等的信號(hào)，分別進(jìn)入調(diào)制器的兩個(gè)光支路，這兩個(gè)光支路采用的材料的折射率隨著外部施加的電信號(hào)大小而變化，由于光支路的折射率變化將引起信號(hào)相位的變化，故兩個(gè)支路的信號(hào)在調(diào)制器的輸出端再次結(jié)合時(shí)，合成的光信號(hào)是一個(gè)強(qiáng)度大小變化的干涉信號(hào)，通過(guò)這種辦法，將電信號(hào)的信息轉(zhuǎn)換到了光信號(hào)上，實(shí)現(xiàn)了光強(qiáng)度調(diào)制。高的調(diào)制速度可以保證產(chǎn)生窄的光脈沖，從而提高系統(tǒng)的空間分辯率。高消光比可以減小系統(tǒng)的背景噪聲等，低插入損耗可減少光的衰減，提高傳感系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍，低驅(qū)動(dòng)電壓可以節(jié)省能源。電光調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)采用脈沖發(fā)生器。因?yàn)槊}沖發(fā)生器發(fā)出的電脈沖的寬度直接決定電光調(diào)制器輸出光脈沖的寬度，所以在選擇脈沖發(fā)生器時(shí)首先

27、考慮脈沖發(fā)生器所能達(dá)到的最窄脈沖寬度，其次是脈沖發(fā)生器所能達(dá)到的最小占空比。由于布里淵傳感系統(tǒng)中光脈沖的重復(fù)頻率很低(一般小于幾十KHz)，所以脈沖發(fā)生器須能提供占空比很低的脈沖。4.3 光纖放大器由激光器輸出的功率較低，經(jīng)電光調(diào)制器調(diào)制成脈沖光后，其插入損耗使脈沖幅度下降，為了保證傳感光纖在不發(fā)生受激布里淵散射的情況下注入最大的泵浦功率，以獲得最大的自發(fā)布里淵散射，提高測(cè)量的精度，經(jīng)電光調(diào)制器輸出的脈沖光必須經(jīng)過(guò)放大后再注入傳感光纖。由于背向布里淵散射信號(hào)非常微弱，為了提高系統(tǒng)的信噪比，所以在進(jìn)行外差檢測(cè)前也需要接一個(gè)光放大器。在選擇光放大器時(shí)主要考慮光放大器的工作波長(zhǎng)范圍、光功率輸入范圍、

28、增益及噪聲指數(shù)等指標(biāo)。EDFA(Erbium Doped Fiber Amplifier)摻餌光纖放大器具有增益高、輸出功率大、工作光學(xué)帶寬較寬、與偏振無(wú)關(guān)、噪聲指數(shù)較低等優(yōu)點(diǎn)，在新一代光通信和傳感系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。其典型結(jié)構(gòu)如圖4-2所示。摻餌光纖是光纖放大器的核心，它是一種內(nèi)部摻有一定濃度餌離子的光纖。餌離子的外層電子具有三能級(jí)結(jié)構(gòu)，如圖4-3所示，其中El是基態(tài)能級(jí)，E2是亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，E3是激發(fā)態(tài)能級(jí)。圖4-2 摻餌光纖放大器基本結(jié)構(gòu)圖4-3餌離子能級(jí)圖當(dāng)用高能量的泵浦激光器來(lái)激勵(lì)摻餌光纖時(shí)，可以使餌離子從基態(tài)能級(jí)大量激發(fā)到高能級(jí)E3上。然而，高能級(jí)是不穩(wěn)定的，因而餌離子很快會(huì)經(jīng)歷無(wú)

29、輻射躍遷(即不釋放光子)落入亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)E2。E2能級(jí)是一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)的能級(jí)，在該能級(jí)上，粒子的存活壽命較長(zhǎng)，受到泵浦光激勵(lì)的粒子，以無(wú)輻射躍遷的形式不斷地向該能級(jí)匯集，從而實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布。當(dāng)具有1550 nm波長(zhǎng)的光信號(hào)通過(guò)這段摻餌光纖時(shí)，亞穩(wěn)態(tài)的粒子以受激輻射的形式躍遷到基態(tài)，并產(chǎn)生和入射信號(hào)光中的光子相同的光子，從而大大增加了信號(hào)光的光子數(shù)量，即實(shí)現(xiàn)了信號(hào)光在摻餌光纖傳輸過(guò)程中被不斷放大的功能。4.4 信號(hào)處理由混頻部分輸出的信號(hào)為模擬信號(hào)，為了便于計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，需對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換.本文對(duì)實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行選擇。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集卡選擇時(shí)，有兩項(xiàng)指標(biāo)最為重要：采集

30、速度和精度。A/D轉(zhuǎn)換精度主要由采集卡的編碼位數(shù)決定，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡編碼后的信噪比與編碼位數(shù)的關(guān)系為： (4-1)其中，N為A/D轉(zhuǎn)換器的編碼位數(shù)。如N=8時(shí)，SNR=48 dB，當(dāng)N=16時(shí)，SNR=96 dB。由此可知，A/D轉(zhuǎn)換器的編碼位數(shù)越高，則轉(zhuǎn)換精度越高，但編碼位數(shù)高時(shí)處理速度會(huì)降低。在基于自發(fā)布里淵散射的分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)中，激光器發(fā)出的連續(xù)光經(jīng)過(guò)電光調(diào)制器調(diào)制成脈沖光注入到傳感光纖中，經(jīng)光纖上各點(diǎn)的散射，沿光纖傳播返回到注入端，經(jīng)過(guò)定向耦合器輸出，在輸出端檢測(cè)到的是一列展寬了的散射波形，根據(jù)光速計(jì)算從光纖反射回來(lái)的布里淵散射光信號(hào)所形成的是包含許多頻譜分量的脈沖信號(hào)，因此可以

31、將利用布里淵光時(shí)域反射技術(shù)測(cè)量的數(shù)據(jù)看作由不同頻率成分組成的數(shù)字信號(hào)序列。基于系統(tǒng)被測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)，一般的信號(hào)檢測(cè)方法已達(dá)不到所需要的性能要求，只有采用專門(mén)的微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)才能在強(qiáng)噪聲中提取微弱的信號(hào)。微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)是從信號(hào)和噪聲本身的特性出發(fā)，利用它們的不同特性擬訂檢測(cè)方法，從噪聲中將有用的信號(hào)檢測(cè)出來(lái)。噪聲是一種隨機(jī)信號(hào)，其頻率與相位彼此是不相關(guān)的，而微弱信號(hào)雖然淹沒(méi)在強(qiáng)噪聲中，但它是周期性信號(hào)，這個(gè)與噪聲的本質(zhì)區(qū)別為我們提供了信號(hào)提取的途徑。本文系統(tǒng)采用的是同步積累法(時(shí)域信號(hào)的平均處理)。這種方法的要點(diǎn)在于將信號(hào)多次重復(fù)，由于信號(hào)是周期性重復(fù)，噪聲不具這種特點(diǎn)。每個(gè)周期的信號(hào)收到的干

32、擾不同，只要把這些受不同干擾的信號(hào)多次重復(fù)，互相對(duì)照，就可以識(shí)別信號(hào)的原形。信號(hào)重復(fù)的次數(shù)越多，恢復(fù)的信號(hào)越接近于原信號(hào)，或者說(shuō)系統(tǒng)抑制噪聲的能力越強(qiáng)。因?yàn)樾盘?hào)是周期性的，輸出信號(hào)正比于積累的次數(shù)m： (4-2)式中，為輸出信號(hào)；為輸入信號(hào)。對(duì)于噪聲，由于其隨機(jī)性，在積累m次后應(yīng)按功率相加： (4-3)式中，為輸出噪聲；為輸入噪聲。經(jīng)過(guò)m次積累后的輸出信噪比為： (4-4)從上式可看出，積累后的信噪比提高了倍。從以上討論可知，原則上，不論輸入信噪比多低，只要積累次數(shù)足夠大，總可以使輸出信噪比達(dá)到要求數(shù)值。采用這種原理的微弱信號(hào)檢測(cè)儀器稱為信號(hào)平均器(Boxcar)。5. 系統(tǒng)性能分析在光纖長(zhǎng)度

33、一定的情況下，系統(tǒng)的信噪比、溫度分辨率、動(dòng)態(tài)范圍、空間分辨率等與入射光脈沖寬度和入射光功率有關(guān)。下面分析系統(tǒng)在光纖長(zhǎng)度為20 km的情況下的溫度分辨率、動(dòng)態(tài)范圍、空間分辨率和測(cè)量時(shí)間等性能。5.1 溫度分辨率測(cè)量出沿光纖分布的每個(gè)點(diǎn)的洛侖茲譜后就可以得到該點(diǎn)的布里淵頻移。布里淵譜的頻率分辨率直接影響到系統(tǒng)的溫度分辨率，并可表示為如下的關(guān)系： (5-1)式中，為布里淵傳感系統(tǒng)的溫度分辨率；為布里淵頻率分辨率；為布里淵頻移的溫度系數(shù)。要得到系統(tǒng)的溫度分辨率，需要計(jì)算布里淵頻率分辨率： (5-2)式中，為布里淵譜寬。當(dāng)脈沖寬度為100 ns，入射功率為200 mW時(shí)，散射功率為，散射信號(hào)經(jīng)過(guò)增益為3

34、5 dB的光前置放大器放大，并經(jīng)耦合器及環(huán)形器等插入損耗衰減共約5 dB后，進(jìn)入檢測(cè)器的信號(hào)功率約為，所選光電檢測(cè)器響應(yīng)度為0.18 A/W，信號(hào)經(jīng)帶寬為200 MHz的混頻器輸出后，輸出信噪比為： (5-3)SNIR為通過(guò)疊加平均使得信噪比的改善量，其表達(dá)式為： (5-4)式中，m為疊加平均的次數(shù)。由上式可知，平均10000次信噪比可提高40 dB，所以系統(tǒng)經(jīng)過(guò)10000次平均后信噪比可達(dá)88 dB。標(biāo)準(zhǔn)通信單模光纖的雙向衰減系數(shù)約為0.4 dB/km，經(jīng)過(guò)20 km衰減后，檢測(cè)到的光纖終端信號(hào)的信噪比約為80 dB。理論上，當(dāng)工作波長(zhǎng)為1550 nm時(shí)，布里淵譜寬為20 MHz，由式(5-

35、2)可知，此時(shí)系統(tǒng)的溫度分辨率為0.15。所以，該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)10000次平均后溫度分辨率可達(dá)0.15。5.2 動(dòng)態(tài)范圍布里淵傳感系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍是表征傳感系統(tǒng)所能達(dá)到的測(cè)量距離的一個(gè)指標(biāo)。動(dòng)態(tài)范圍越大，所能達(dá)到的傳感距離越長(zhǎng)，反之，動(dòng)態(tài)范圍越小則所能達(dá)到的傳感距離越短。BOTDR傳感系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍的表示式為： (5-5)式中，為輸入光脈沖的峰值功率；為背向布里淵散射系數(shù)；為布里淵信號(hào)選擇比；為系統(tǒng)中所有設(shè)備和連接器的總插入損耗；為光電探測(cè)器的最小可探測(cè)功率；SNIR為通過(guò)疊加平均使得信噪比的改善量；SNRr為要達(dá)到規(guī)定測(cè)量指標(biāo)系統(tǒng)所需最小信噪比。因?yàn)?、SNRr是已知或可以直接測(cè)量的，所以主要分析、和

36、SNIR的計(jì)算。(1) 的計(jì)算：從脈沖光的入射到接收到布里淵散射光共經(jīng)歷三個(gè)物理過(guò)程:脈沖光的衰減，向各方向散射和背向捕捉。布里淵散射系數(shù)定義為在散射點(diǎn)的散射信號(hào)功率與入射光功率的比，其表示式為： (5-6)式中，S為布里淵背向捕捉系數(shù)；為布里淵散射系數(shù)，表達(dá)式為 (5-7) S的表達(dá)式為： (5-8)式中，為光纖的有效面積，n為光纖纖芯折射率，w為光斑半徑。(2) 的計(jì)算目前，對(duì)布里淵譜的測(cè)量主要采用掃頻的方法，通過(guò)在光域或電域與布里淵信號(hào)取外差，調(diào)整差頻信號(hào)輸出頻率，使不同頻率成份的信號(hào)依次通過(guò)帶通濾波器，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)譜的掃描。表示通過(guò)帶寬為2B的帶通濾波器的布里淵散射信號(hào)的功率與總的布里淵

37、散射信號(hào)的比值。其表示式為： (5-9)式中，為通過(guò)帶通濾波器的布里淵散射功率；為布里淵散射總功率。、分別滿足如下關(guān)系式： (5-10) (5-11)將式(5-10)、(5-11)代入(5-9)得： (5-12)(3) SNIR的計(jì)算在微弱信號(hào)檢測(cè)中，疊加平均是一種常用的提高信噪比的手段。因?yàn)樾盘?hào)是周期性的，所以經(jīng)過(guò)疊加平均后的信號(hào)與該點(diǎn)的瞬時(shí)值相等，而噪聲是隨機(jī)的，長(zhǎng)時(shí)間平均值趨近于零，這是疊加平均能提高信噪比的原因。SNIR的表達(dá)式為(5-4)，其中，m為疊加平均的次數(shù)。經(jīng)過(guò)m次疊加平均后，功率信噪比提高10logm倍，顯然平均次數(shù)越多信噪比改善越明顯。由以上分析可知，當(dāng)入射功率為200

38、mW，脈沖寬度為100 ns時(shí)，=23 dB；=-76 dB；用于掃頻的低通濾波器帶寬為10 MHz時(shí)，=-3 dB；耦合器和環(huán)形器等總損耗約為5 dB，光放大器放大35 dB，所以總損耗為負(fù)損耗(信號(hào)有增益)=-30 dB；平均10000次，SNIR=40 dB；要達(dá)到溫度分辨率0.15所需信噪比為80 dB，光電檢測(cè)器可探測(cè)功率為-99.2 dBm時(shí)，動(dòng)態(tài)范圍為： (5-13)5.3 空間分辨率分布式傳感系統(tǒng)的空間分辨率表征傳感系統(tǒng)的定位能力。測(cè)量系統(tǒng)每一時(shí)刻所測(cè)量到的背向布里淵散射信息是某一段傳感光纖上信號(hào)的累積，而不是傳感光纖上任何一個(gè)無(wú)窮小段上的信息都能被區(qū)分開(kāi)。也就是說(shuō)，傳感光纖上

39、小于空間分辨率的區(qū)間上背向布里淵散射信號(hào)在到達(dá)系統(tǒng)的測(cè)量端時(shí)在時(shí)間上互相重疊。影響系統(tǒng)空間分辨率的因素包含探測(cè)光脈沖寬度、光纖色散、光電轉(zhuǎn)換器件的響應(yīng)時(shí)間和A/D轉(zhuǎn)換速度等因素。一般影響比較大的是入射光脈沖寬度、數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備(A/D轉(zhuǎn)換器)的處理速度、和接收濾波器的帶寬。(1) 在數(shù)據(jù)采集處理器件的處理速度足夠快、帶通濾波器帶寬足夠?qū)挼那闆r下，空間分辨率由入射光脈沖寬度確定。假設(shè)輸入光脈沖是寬度為W的矩形，兩個(gè)散射脈沖之間的間隔為零時(shí)，則得到恰好能分辨兩個(gè)散射體之間的最小空間距離為： (5-14)或表示為時(shí)間形式： (5-15)式中，v為光纖中的光速，T為光脈沖的持續(xù)時(shí)間。(2) A/D轉(zhuǎn)換設(shè)備處理速度也會(huì)影響系統(tǒng)的空間分辨率。比如每隔50 m采集一個(gè)樣點(diǎn)的空間分辨率比每隔100 m采集一個(gè)樣點(diǎn)的空間分辨率要高一倍。所以可以得出由數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備決定的系統(tǒng)空間分辨率： (5-16)式中，為采集設(shè)備的采集