基于BOTD+R的分布式溫度和應(yīng)變傳感系統(tǒng)的研究-通信信息系統(tǒng)碩士論文

基于 BOTDR 的分布式溫度和應(yīng)變傳感系統(tǒng) 的研究 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 學(xué)術(shù)學(xué)位 學(xué)生姓名 張 毅 指導(dǎo)教師 劉 敏 教 授 專(zhuān) 業(yè) 通信與信息系統(tǒng) 學(xué)科門(mén)類(lèi) 工 學(xué) 重慶大學(xué)通信工程學(xué)院 二 O 一六年四月 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 萬(wàn)方數(shù)據(jù) Research on the Distributed Temperature and Strain Sensing System Based on BOTDR A Thesis Submitted to Chongqing University In Partial Fulfillment of the Requirement for the Master s Degree of Engineering By Yi Zhang Supervised by Prof Min Liu Specialty Communication and Information System College of Communication Engineering of Chongqing University Chongqing China April 2016 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 中文摘要 I 摘 要 基于布里淵光時(shí)域反射 BOTDR 的分布式光纖傳感系統(tǒng) 具有良好的實(shí)時(shí)性 準(zhǔn)確的空間分辨率和測(cè)量精度 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn) 一經(jīng)問(wèn)世便得到國(guó)內(nèi)外 的廣泛重視 現(xiàn)已發(fā)展成為光纖傳感領(lǐng)域的主要技術(shù) 本文利用布里淵頻移同溫 度和應(yīng)變的變化關(guān)系 基于相干拍頻探測(cè)法搭建了分布式傳感系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫 度和應(yīng)變變化的監(jiān)測(cè) 并通過(guò)脈沖調(diào)制實(shí)驗(yàn)和后期的信號(hào)處理算法 提高了布里 淵信號(hào)的信噪比 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)空間分辨率 測(cè)量精度等參數(shù)的優(yōu)化 論文 主要內(nèi)容如下 介紹 BOTDR 技術(shù)的基本理論 闡述自發(fā)布里淵散射和受激布里淵散射各自 的產(chǎn)生機(jī)理 研究布里淵信號(hào)的頻率和光強(qiáng)同溫度和應(yīng)力變化的定量關(guān)系 討論 系統(tǒng)的兩類(lèi)實(shí)現(xiàn)方式 直接探測(cè)和相干拍頻探測(cè) 并詳細(xì)介紹系統(tǒng)的主要性能參 數(shù)及其各自的影響因素 實(shí)驗(yàn)搭建基于 BOTDR 的分布式傳感系統(tǒng) 并對(duì)組成系統(tǒng)的重要器件 布里 淵激光器和摻鉺光纖放大器進(jìn)行特殊設(shè)計(jì) 通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)各器件的性能參數(shù)進(jìn)行測(cè) 試和改進(jìn) 介紹了聲光調(diào)制器 AOM 的工作原理 實(shí)驗(yàn)分析調(diào)制脈沖對(duì)傳感光 纖中自發(fā)布里淵散射的影響 采用 10km的傳感光纖 通過(guò)多次脈沖調(diào)制實(shí)驗(yàn) 分析不同脈沖寬度和幅值 對(duì)傳感光纖中散射信號(hào)的影響 選擇380mV 300ns的調(diào)制脈沖進(jìn)行溫度傳感實(shí)驗(yàn) 得出溫度變化同布里淵頻移的定量關(guān)系 求得布里淵頻移的溫度變化系數(shù)為 1 2MHz 系統(tǒng)空間分辨率 15m 采用 2km 的傳感光纖 選擇 600mV 100ns 的 調(diào)制脈沖進(jìn)行應(yīng)力傳感實(shí)驗(yàn) 得出應(yīng)力變化同布里淵頻移的定性關(guān)系 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng) 的空間分辨率 2m 在信號(hào)處理部分 首先通過(guò)累加平均去噪的方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)信噪比的提高 選擇高斯窗函數(shù)分段多次截取采集到的時(shí)域上的信息 進(jìn)行短時(shí)傅立葉變換 將 得到的頻域上的信息點(diǎn)進(jìn)行擬合 得出傳感光纖各處的布里淵頻率 通過(guò)增大高 斯窗函數(shù)的長(zhǎng)度 將溫度傳感實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)的空間分辨率由 15m 提高至 3m 甚至更 高 通過(guò)選擇合適的調(diào)制脈沖 可以有效避免非線性效應(yīng)帶來(lái)的影響并同時(shí)提高 系統(tǒng)的信噪比 實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度和應(yīng)變的檢測(cè) 并對(duì)系統(tǒng)的空間分辨率進(jìn)行了優(yōu)化 該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且成本較低 進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能將在未來(lái)的實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮出 更大的作用及價(jià)值 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 II 關(guān)鍵詞 關(guān)鍵詞 分布式傳感 脈沖調(diào)制 溫度應(yīng)力傳感 算法優(yōu)化 空間分辨率 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 英文摘要 III ABSTRACT Distributed optical fiber sensing technology uses optical fiber as the transmission medium and sensing unit and this technology can monitor the information in continuous time and space The distributed optical fiber sensing system based on Brillouin Optical Time Domain Reflectometry BOTDR has good real time performance accurate spatial resolution and measurement accuracy and the system structure is simple and easy to implement The distributed optical fiber sensing system based on BOTDR has gained wide attention at home and abroad and it has become the main technology in the field of optical sensing In this thesis according to the relationship between the Brillouin frequency and the temperature and stress a distributed sensing system to monitor the change in temperature and strain is built based on the coherent heterodyne detection Through the pulse modulation experiment and the signal processing algorithm the signal noise ratio SNR of Brillouin signal has been improved greatly and the spatial resolution and measurement accuracy of the system have been also optimized The main contents of this thesis are as following The fundamental theory of BOTDR technology and the generation mechanism of spontaneous Brillouin scattering and stimulated Brillouin scattering are described briefly The quantitative relationship between Brillouin signals frequency and intensity and the temperature stress is investigated Direct detection and coherent heterodyne detection are two main structural models of the sensing system The system s main performance parameters and the factors that affect them are introduced in detail The distributed optical fiber sensing system based on BOTDR is designed and built The performance parameters of the key components such as Brillouin fiber laser and Erbium doped Fiber Amplifier EDFA are specially designed and tested experimently According to the working principle of the acoustic optical modulator AOM we analyze the effects of modulation pulse on spontaneous Brillouin scattering in sensing optical fibers The influence of different pulse width and amplitude on the scattering signal in a 10km sensing optical fiber is analyzed The temperature sensing experiment is carried out with 380mV 300ns modulation pulse through which the quantitative relationship between temperature variation and Brillouin frequency shift is obtained It s obtained that the Brillouin frequency shift coefficient of temperature is 1 2MHz and the 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 IV system s spatial resolution is 15m by this modulation pulse According to a 2km sensing optical fiber the 600mV 100ns modulation pulse is chosen to carry out stress sensing experiments and the qualitative relationship between the stress variation and the Brillouin frequency shift is obtained It s shown that the spatial resolution of the system is 2m As for the signal processing part the signal s SNR is improved by the average cumulative denoising method Gauss window function is selected to intercept the information collected in time domain and through short time Fourier transform STFT the information points in the frequency domain are obtained The Brillouin frequency along the sensing optical fiber can be achieved by fitting the points obtained from the STFT By increasing the length of the Gauss window function the spatial resolution of the temperature sensing system has been improved from 15m to 3m or even higher The experimental research indicates that an appropriate modulation pulse can effectively avoid the generation of nonlinear effects and improve the SNR of the system at the same time The temperature and strain are detected and the spatial resolution of the system is optimized The system has simple structure and low cost and it will play a more significant role in the practical application in the future by means of further improving the system performance Keywords distributed optical fiber sensing pulse modulation temperature and stress sensing algorithm optimization spatial resolution 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 目 錄 V 目 錄 中文摘要中文摘要 I 英文摘要英文摘要 III 1 緒緒 論論 1 1 1 課題研究背景及意義課題研究背景及意義 1 1 2 分布式光纖傳感技術(shù)的分類(lèi)分布式光纖傳感技術(shù)的分類(lèi) 1 1 3 基于布里淵散射的光纖傳感技術(shù)基于布里淵散射的光纖傳感技術(shù) 3 1 3 1 BOTDA 技術(shù) 3 1 3 2 BOTDR 技術(shù) 4 1 4 本文主要研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)本文主要研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn) 5 1 4 1 本文主要研究?jī)?nèi)容 5 1 4 2 本文創(chuàng)新點(diǎn) 6 2 基于基于 BOTDR 的分布式傳感技術(shù)的基本理論的分布式傳感技術(shù)的基本理論 9 2 1 光纖中的布里淵散射光纖中的布里淵散射 9 2 1 1 自發(fā)布里淵散射 9 2 1 2 受激布里淵散射 11 2 2 布里淵頻率同溫度和應(yīng)變的關(guān)系布里淵頻率同溫度和應(yīng)變的關(guān)系 12 2 3 布里淵光強(qiáng)同溫度和應(yīng)變的關(guān)系布里淵光強(qiáng)同溫度和應(yīng)變的關(guān)系 13 2 4 小結(jié)小結(jié) 14 3 基于基于 BOTDR 的分布式傳感系統(tǒng)的原理與分析的分布式傳感系統(tǒng)的原理與分析 15 3 1 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式 15 3 1 1 直接探測(cè)法 15 3 1 2 相干拍頻探測(cè)法 17 3 2 系統(tǒng)的主要性能參數(shù)系統(tǒng)的主要性能參數(shù) 19 3 2 1 信噪比 19 3 2 2 動(dòng)態(tài)范圍 19 3 2 3 空間分辨率 20 3 2 4 溫度應(yīng)變測(cè)量精度 21 3 3 小結(jié)小結(jié) 22 4 基于基于 BOTDR 的分布式傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究的分布式傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究 23 4 1 基于基于 BOTDR 的分布式傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的分布式傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 23 4 2 種子光源種子光源 25 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 VI 4 3 聲光調(diào)制器 聲光調(diào)制器 AOM 27 4 3 1 調(diào)制脈沖幅度對(duì)后向散射光的影響 29 4 3 2 調(diào)制脈沖寬度對(duì)后向散射光的影響 31 4 4 布里淵激光器布里淵激光器 33 4 4 1 SBS 閾值和帶寬 34 4 4 2 自由頻譜寬 FSR 35 4 4 3 線寬和頻漂 38 4 5 摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器 41 4 5 1 EDFA 的基本結(jié)構(gòu) 41 4 5 2 EDFA 的泵浦方式 42 4 6 小結(jié)小結(jié) 42 5 基于基于 BOTDR 分布式傳感系統(tǒng)的溫度和應(yīng)變實(shí)驗(yàn)及分析分布式傳感系統(tǒng)的溫度和應(yīng)變實(shí)驗(yàn)及分析 43 5 1 系統(tǒng)的信號(hào)分析處理流程系統(tǒng)的信號(hào)分析處理流程 43 5 1 1 數(shù)字累加平均算法 43 5 1 2 短時(shí)傅里葉變換 44 5 1 3 非線性最小二乘擬合法 45 5 2 溫度傳感實(shí)驗(yàn)與分析溫度傳感實(shí)驗(yàn)與分析 47 5 2 1 脈沖調(diào)制實(shí)驗(yàn) 47 5 2 2 溫度和 Brillouin 頻率的關(guān)系 51 5 3 應(yīng)變傳感實(shí)驗(yàn)與分析應(yīng)變傳感實(shí)驗(yàn)與分析 55 5 3 1 脈沖調(diào)制實(shí)驗(yàn) 55 5 3 2 應(yīng)變和 Brillouin 頻率的關(guān)系 58 5 4 實(shí)驗(yàn)問(wèn)題分析實(shí)驗(yàn)問(wèn)題分析 61 5 4 1 本實(shí)驗(yàn)不足之處 62 5 4 2 進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn) 63 5 5 小結(jié)小結(jié) 68 6 總結(jié)及工作展望總結(jié)及工作展望 69 6 1 總結(jié)總結(jié) 69 6 2 下一步工作展望下一步工作展望 70 致致 謝謝 71 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 73 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 1 緒 論 1 1 緒 論 1 1 課題研究背景及意義 光纖傳感技術(shù)始于 20 世紀(jì) 70 年代 以光纖作為載體實(shí)現(xiàn)對(duì)外界信號(hào)的感知 及傳輸 光在光纖中傳輸時(shí) 其本身的特征參數(shù)如 強(qiáng)度 頻率 相位 偏振態(tài) 波長(zhǎng)等受到外界因素的影響會(huì)發(fā)生不同程度的變化 該過(guò)程就是外界參數(shù)對(duì)所傳 輸?shù)墓庑盘?hào)的調(diào)制過(guò)程 光纖將經(jīng)過(guò)調(diào)制后的信號(hào)傳送至光探測(cè)器進(jìn)行解調(diào) 通 過(guò)分析處理就可以得出被測(cè)量如溫度 應(yīng)變 振動(dòng) 電壓 流量的變化 同傳統(tǒng)傳感器相比 光纖傳感具有以下優(yōu)點(diǎn) 敏感度高 光纖易于接受外界 各種場(chǎng)的加載 是一種優(yōu)良的敏感元件 抗干擾性強(qiáng) 光纖本身是絕緣材料 抗 輻射 能夠抵御外界復(fù)雜電磁環(huán)境的干擾 應(yīng)用范圍廣 光纖具有工作頻帶寬 傳輸損耗低 質(zhì)量輕 體積小 易彎折等特點(diǎn) 是一種優(yōu)良的傳輸材料 分布式光纖傳感技術(shù)作為一種新型的光纖傳感技術(shù) 其發(fā)展也經(jīng)歷了準(zhǔn)分布 式 分布式兩個(gè)階段 相較于準(zhǔn)分布式 分布式傳感技術(shù)能夠獲取傳感光纖沿途 隨時(shí)間和空間變化的連續(xù)信息 具有以下優(yōu)點(diǎn) 測(cè)量精度高 空間分辨率高 測(cè)量范圍大 可以在光纖長(zhǎng)度范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)的實(shí)時(shí)測(cè)量 相較于只能獲得局部分段信 息的準(zhǔn)分布式傳感器 具有更優(yōu)化的性能和更低的成本 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 易于搭建 分布式傳感系統(tǒng)的信號(hào)傳感器件僅為光纖 便于搭 建多股以達(dá)到被測(cè)區(qū)域信息的多維空間分布情況 基于以上優(yōu)點(diǎn) 光纖傳感技術(shù)一經(jīng)問(wèn)世便受到極大重視 被廣泛應(yīng)用于國(guó)防 系統(tǒng) 工業(yè)生產(chǎn) 交通運(yùn)輸 安全監(jiān)測(cè) 環(huán)境保護(hù) 生物醫(yī)學(xué) 精密測(cè)量等各領(lǐng) 域 1 本論文基于橫向課題 高壓輸電線溫度應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 完成 與項(xiàng)目組成員 朱敏同學(xué)共同完成 本論文側(cè)重于利用共同搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分別完成對(duì)溫度與應(yīng) 力的監(jiān)測(cè) 并運(yùn)用軟件算法對(duì)系統(tǒng)空間分辨率進(jìn)行優(yōu)化 1 2 分布式光纖傳感技術(shù)的分類(lèi) 分布式傳感系統(tǒng)按傳感原理可以分為干涉型 散射型 偏振型等分布式光纖 傳感系統(tǒng) 其中散射型分布式傳感系統(tǒng)可以按照光在光纖中傳播時(shí)產(chǎn)生的散射光 的不同 如圖 1 1 分別基于瑞利 Rayligh 散射 拉曼 Raman 散射 布里淵 Brillouin 散射構(gòu)成分布式光纖傳感系統(tǒng) 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 圖 1 1 光纖中三種散射光的光譜關(guān)系 Fig 1 1 Spectrum of three kinds of scattered light in optical fiber 拉曼散射是一種非彈性散射 光在光纖中傳播時(shí)激起光纖中光學(xué)聲子之間產(chǎn) 生非彈性碰撞從而產(chǎn)生拉曼散射光 相較于入射光而言 拉曼散射光由頻率上移 的反斯托克斯光和頻率下移的斯托克斯光組成 在自發(fā)拉曼散射中 反斯托克斯 光的功率受溫度的調(diào)制 隨著溫度的升高呈指數(shù)規(guī)律增加 而斯托克斯光的強(qiáng)度 幾乎不受溫度變化的影響 因此可把反斯托克斯光作為信號(hào)通道 斯托克斯光作 為參考通道 通過(guò)計(jì)算二者光強(qiáng)的比值 可解調(diào)出待測(cè)區(qū)域的溫度變化信息 基 于拉曼散射的分布式光纖傳感器采用雙通道檢測(cè)方式 可以有效消除光源頻率不 穩(wěn)定 光傳播過(guò)程中的固有損耗以及其它不均勻性變化造成的影響 但是由于拉 曼散射光的功率要比入射光小 50 60dB 導(dǎo)致測(cè)量距離受限 2 3 瑞利散射是光在傳播過(guò)程中與光纖介質(zhì)中的微觀粒子發(fā)生彈性碰撞引起的彈 性散射 4 5 沿光纖傳播的光一部分與傳播方向呈 180 度向后散射返回光源 而后 向散射光的強(qiáng)度會(huì)受沿途光纖的瑞利散射系數(shù) 損耗特性的影響 通過(guò)監(jiān)測(cè)瑞利 散射光的強(qiáng)度來(lái)判斷光纖的衰減特性和連續(xù)性 從而確定光纖各處的損耗 光纖 故障點(diǎn) 斷點(diǎn)的位置 這就是光時(shí)域反射計(jì) OTDR 的原理 目前基于瑞利散射 的用來(lái)監(jiān)測(cè)光纖斷點(diǎn)故障的光時(shí)域傳感器已經(jīng)非常成熟 后來(lái)根據(jù)瑞利散射系數(shù) 受溫度的影響 通過(guò)觀察散射光強(qiáng)度的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖沿途溫度場(chǎng)的監(jiān)測(cè) 不過(guò) 由于在傳統(tǒng)的石英光纖中 散射光強(qiáng)對(duì)溫度變化并不明顯 導(dǎo)致檢測(cè)精度較低 目前已采取溫敏系數(shù)較高的液芯光纖來(lái)實(shí)現(xiàn)基于瑞利散射的分布式溫度傳感器 6 總體說(shuō)來(lái) 瑞利散射光的波長(zhǎng)同入射光源一致 光功率相較于其它兩種散射也是 最強(qiáng)的 用 OTDR 技術(shù)來(lái)確定光纖各處的損耗 故障點(diǎn) 斷點(diǎn)的位置已經(jīng)相當(dāng)成 熟 但是由于瑞利散射的光功率對(duì)溫度 應(yīng)變的變化都不敏感 因此作為分布式 傳感器的研究與應(yīng)用遠(yuǎn)遜于其它兩種技術(shù) 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 1 緒 論 3 布里淵散射同拉曼散射一樣 也是一種非彈性散射 由于光纖介質(zhì)內(nèi)部分子 時(shí)刻在進(jìn)行著振動(dòng) 導(dǎo)致微觀上光纖的折射率在時(shí)間和空間上會(huì)發(fā)生周期性的變 化產(chǎn)生一個(gè)自發(fā)的聲波場(chǎng) 光進(jìn)入光纖后 光學(xué)光子和光學(xué)聲子發(fā)生非彈性碰撞 產(chǎn)生布里淵散射 由于是非彈性碰撞產(chǎn)生的散射 所以散射光頻率相對(duì)于入射光 有大約11GHz左右的頻移 7 8 9 當(dāng)光纖材料特性受溫度和應(yīng)變的影響發(fā)生改變時(shí) 受光纖材料特性影響的布里淵散射光的特性也會(huì)發(fā)生變化 基于此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外 界溫度和應(yīng)力等其他的同時(shí)測(cè)量 此外基于布里淵散射的分布式傳感器還具有測(cè) 量范圍廣 空間分辨率高 測(cè)量精度大等優(yōu)點(diǎn) 一經(jīng)問(wèn)世便得到行業(yè)內(nèi)人員的廣 泛關(guān)注 但是該技術(shù)系統(tǒng)較為復(fù)雜 成本較高 未來(lái)還需要實(shí)現(xiàn)在理論和技術(shù)上 的進(jìn)一步突破 以達(dá)到在工程上的廣泛應(yīng)用 10 11 1 3 基于布里淵散射的光纖傳感技術(shù) 基于布里淵散射的光時(shí)域分布式傳感系統(tǒng)利用布里淵散射光的功率和溫度敏 感特性 能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)距離 高精度的應(yīng)變和溫度檢測(cè) 根據(jù)散射機(jī)理的不同可以 分為 基于受激布里淵散射的光時(shí)域分析 Brillouin Optical Time Domain Analysis BOTDA 技術(shù) 基于自發(fā)布里淵散射的光時(shí)域反射 Brillouin Optical Time Domain Reflectometry BOTDR 技術(shù) 1 3 1 BOTDA 技術(shù) BOTDA 技術(shù)最初是由 Horiguchi 等人提出用作檢測(cè)光纖損耗 12 其系統(tǒng)的基 本原理結(jié)構(gòu)如圖 1 2 所示 兩路不同的光源分別從測(cè)試光纖的兩端打入測(cè)試光纖 通過(guò)不斷調(diào)節(jié)兩路光源的頻差 當(dāng)兩路光源的頻差剛好與光纖中某區(qū)域的布里淵 頻移 B相等時(shí) 就會(huì)在該區(qū)域產(chǎn)生布里淵散射效應(yīng) 即受激布里淵散射 該現(xiàn)象 被稱(chēng)為受激布里淵放大 在 BOTDA 系統(tǒng)中 其中一路光源先被調(diào)制成脈沖光打 入測(cè)試光纖 另一路則直接以連續(xù)光的形式打入測(cè)試光纖 當(dāng)脈沖光的頻率比連 續(xù)光高 B從而產(chǎn)生布里淵散射效應(yīng)時(shí) 脈沖光的能量會(huì)向連續(xù)光轉(zhuǎn)移 該傳感方 式稱(chēng)之為布里淵增益型 反之當(dāng)脈沖光的頻率比連續(xù)光低 B從而產(chǎn)生布里淵散射 效應(yīng)時(shí) 此時(shí)連續(xù)光的能量會(huì)向脈沖光轉(zhuǎn)移 該傳感方式稱(chēng)之為布里淵損耗型 在實(shí)際探測(cè)過(guò)程中 當(dāng)測(cè)試光纖的某一部分受到溫度或應(yīng)力的作用其布里淵 頻移發(fā)生改變時(shí) 由 B變?yōu)?B 該部分散射回來(lái)的信號(hào)光的功率會(huì)發(fā)生急劇的 衰減 此時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)兩路光源的頻差 來(lái)獲得該部分信號(hào)光的最強(qiáng)功率 此時(shí)兩 路光源的頻差就是該部分的布里淵頻移 通過(guò)對(duì)信號(hào)的進(jìn)一步解調(diào)分析即可獲得 該部分發(fā)生的溫度或是應(yīng)變信息 由于在布里淵增益型傳感系統(tǒng)中 脈沖光的能量不斷減小導(dǎo)致脈沖光在測(cè)試 光纖中的傳輸距離有限 導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)距離受限 而布里淵損耗型傳感系 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 4 統(tǒng)中 脈沖光的能量不斷增強(qiáng) 有利于系統(tǒng)進(jìn)行更長(zhǎng)距離的探測(cè) 13 圖 1 2 BOTDA 系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu) Fig 1 2 Schematic diagram of BOTDA system 在上世紀(jì) 80 年代末 Horiguchi和 D Culverhousf首先提出了基于 BOTDA 的分 布式光纖傳感系統(tǒng)并初步實(shí)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)力的測(cè)量 14 1993 年加拿大的 Bao Xiaoyi等 人實(shí)現(xiàn)了對(duì) 32km長(zhǎng)光纖沿途溫度的監(jiān)測(cè) 達(dá)到了 5m的空間分辨率 隨后 Bao 教 授又與加拿大 OZ 公司合作 實(shí)現(xiàn)了溫度和應(yīng)變的同時(shí)檢測(cè) 并進(jìn)一步提高了系統(tǒng) 的空間分辨率 15 隨著對(duì)系統(tǒng)的不斷優(yōu)化 2012 年 Soto Marcelo A 等人利用 Simplex 編碼和拉曼放大技術(shù) 實(shí)現(xiàn)了 120km的傳感距離和 1m的空間分辨率 16 BOTDA 技術(shù)具有測(cè)量精度高 測(cè)量范圍大等優(yōu)點(diǎn) 但是由于需要雙光源輸入 系統(tǒng)較為復(fù)雜 不便于搭建 無(wú)法測(cè)量斷點(diǎn) 由溫度和應(yīng)變引起的變化較難區(qū)分 1 3 2 BOTDR 技術(shù) BOTDR技術(shù)是在傳統(tǒng)的OTDR技術(shù)上發(fā)展起來(lái)的 在光時(shí)域反射儀 OTDR 中 通過(guò)對(duì)光纖中向后散射的瑞利光強(qiáng)度的分析 可以實(shí)現(xiàn)光纖斷點(diǎn) 故障點(diǎn)的 監(jiān)測(cè)以及光纖沿途溫度變化的監(jiān)測(cè) 在 BOTDR 技術(shù)中 后向的自發(fā)布里淵散射代 替了瑞利散射光 由于布里淵散射光的功率和頻移受溫度和應(yīng)變的影響 通過(guò)對(duì) 散射信號(hào)解調(diào) 即可獲得沿途溫度和應(yīng)變的變化情況 同瑞利散射光不同的是 后向的自發(fā)布里淵信號(hào)十分微弱 一般比入射光功率小 50 60dB 相較于瑞利信號(hào) 也低 20dB 左右 導(dǎo)致監(jiān)測(cè)起來(lái)較為困難 測(cè)量距離也受限 同 BOTDA 不同的是 BOTDR 采用單端輸入 其系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單 如圖 1 3 所示 泵浦光調(diào)制成 脈沖光后打入傳感光纖 通過(guò)耦合器在傳感光纖的同一端收集散射回來(lái)的自發(fā)布 里淵信號(hào) 經(jīng)由探測(cè)器接收檢測(cè) 17 常用的檢測(cè)方法有直接檢測(cè)法和相干檢測(cè)法 直接檢測(cè)法是將散射回來(lái)的信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波 取出有用的布里淵信號(hào) 通過(guò)對(duì) 布里淵信號(hào)進(jìn)行解調(diào)得出溫度和應(yīng)變的信息 當(dāng)入射光的波長(zhǎng)為 1550nm 時(shí) 散射 回來(lái)的布里淵信號(hào)的頻率約為 11GHz 這對(duì)濾波器的要求較高 而且由于返回的 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 1 緒 論 5 布里淵信號(hào)本身就非常微弱 濾波器的插入損耗等因素會(huì)進(jìn)一步影響測(cè)量的精度 圖 1 3 BOTDR 系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu) Fig 1 3 Schematic diagram of BOTDR system 相干檢測(cè)法是將激光器發(fā)出的泵浦光分成兩路 一路直接打入傳感光纖 另 一路經(jīng)調(diào)制使頻率跟散射回來(lái)的自發(fā)布里淵信號(hào)的頻率相近 這樣跟散射回來(lái)的 布里淵信號(hào)經(jīng)過(guò)探測(cè)器拍頻后可用窄帶相干接收機(jī)直接接收 實(shí)現(xiàn)低頻相干檢測(cè) 同時(shí)便于后續(xù)的信號(hào)處理 1993 年日本電話(huà)電報(bào)公司的 T Kurashima 等人利用 BOTDR 系統(tǒng) 采用相干 檢測(cè)的方式 在 11 57km 的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了溫度和應(yīng)變的同時(shí)監(jiān)測(cè) 空間分辨率為 100m 隨著技術(shù)的不斷成熟 日本的 ANDO 公司的 AQ860X 系列產(chǎn)品的監(jiān)測(cè)范 圍達(dá) 80km 中國(guó)電子科技集團(tuán) 41 所的產(chǎn)品 AV6419 實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)范圍 80km 應(yīng)變檢 測(cè)空間分辨率達(dá) 1m 18 BOTDR 技術(shù)對(duì)單一分布參數(shù)的測(cè)量具有很好的空間分辨率和測(cè)量精度 同時(shí) 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也較為簡(jiǎn)單 由于布里淵信號(hào)頻移較小 線寬窄 這就對(duì)泵浦光源的 穩(wěn)定性和線寬提出了較高的要求 增加了系統(tǒng)的成本 1 4 本文主要研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn) 1 4 1 本文主要研究?jī)?nèi)容 基于 BOTDR 的分布式傳感技術(shù)在溫度 應(yīng)變的測(cè)量方面具有高精度 大動(dòng)態(tài) 范圍 高空間分辨率等優(yōu)勢(shì) 一經(jīng)問(wèn)世便得到廣泛關(guān)注和研究 成為全分布式光 纖傳感器研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域 該技術(shù)在理論以及實(shí)驗(yàn)方面均已取得了突破性成果 但是仍然存在許多問(wèn)題需要進(jìn)一步研究 本課題以布里淵散射為背景 汲取了國(guó)內(nèi)外諸多相關(guān)課題組的研究成果 對(duì) 基于 BOTDR 的分布式傳感器中的關(guān)鍵技術(shù)做了較多研究 并且在理論及實(shí)驗(yàn)方面 都取得了一些成果 本文各章節(jié)的安排內(nèi)容如下 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 6 第一章介紹了目前分布式傳感系統(tǒng)的分類(lèi) 對(duì)目前基于布里淵散射的兩種分 布式傳感技術(shù) BOTDR 技術(shù)和 BOTDA 技術(shù)的基本原理和各自特點(diǎn)作詳細(xì)分析 第二章首先闡述自發(fā)布里淵散射和受激布里淵散射在光纖中各自的產(chǎn)生機(jī)理 介紹布里淵光譜的兩個(gè)重要參數(shù) 中心頻率和功率以及它們的數(shù)學(xué)表達(dá)式 分析 布里淵光的中心頻率和光強(qiáng)受溫度和應(yīng)力影響而發(fā)生變化的原因 并從理論上推 導(dǎo)中心頻率同溫度和應(yīng)變的關(guān)系 光強(qiáng)同溫度和應(yīng)變的關(guān)系 第三章介紹目前基于 BOTDR 分布式系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)方面的兩種主要方式 直接 檢測(cè)法和相干拍頻檢測(cè)法 其中相干拍頻檢測(cè)又主要包括 微波外差結(jié)構(gòu) 基于 聲光頻移的自外差結(jié)構(gòu)和基于電光頻移的自外差結(jié)構(gòu) 對(duì)基于 BOTDR 分布式系統(tǒng) 的重要性能參數(shù) 信噪比 動(dòng)態(tài)范圍 空間分辨率 溫度應(yīng)變測(cè)量精度各自的定 義以及影響因素作詳細(xì)介紹 為后面實(shí)驗(yàn)優(yōu)化上述性能指標(biāo)做準(zhǔn)備 第四章介紹本實(shí)驗(yàn)搭建的基于 BOTDR 的分布式傳感系統(tǒng) 闡述基于該系統(tǒng)來(lái) 實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和應(yīng)變監(jiān)測(cè)的原理 介紹系統(tǒng)中各核心器件的選用或搭建 種子光源 的選用標(biāo)準(zhǔn)以及自行搭建的兩臺(tái)布里淵激光器 通過(guò)對(duì)比激光器的 SBS 閾值 帶 寬 自由頻譜寬 頻率穩(wěn)定性等參數(shù) 確定本實(shí)驗(yàn)選用的激光器 介紹聲光調(diào)制 器 AOM 的工作原理 通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析調(diào)制脈沖對(duì)傳感光纖中自發(fā)布里淵散射的 影響 介紹自行搭建的摻鉺光纖放大器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)放大 器的放大性能進(jìn)行測(cè)試 第五章采用 10km長(zhǎng)的傳感光纖 首先進(jìn)行脈沖調(diào)制實(shí)驗(yàn) 選擇合適的脈寬和 幅值 使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍 空間分辨率以及測(cè)量精度都得以兼顧 采用脈寬為 300ns 幅值為 380mV 的調(diào)制脈沖 進(jìn)行溫度傳感實(shí)驗(yàn) 測(cè)得不同溫度下布里淵信號(hào)的頻 移情況 得出布里淵頻移與溫度的定量關(guān)系 同樣 對(duì)于應(yīng)力傳感實(shí)驗(yàn) 經(jīng)試驗(yàn) 選擇脈寬為 100ns 幅值為 600mV 的調(diào)制脈沖 對(duì) 2km 傳感光纖末端 20m施以不 同程度的應(yīng)力 得出布里淵頻移與應(yīng)變的定性關(guān)系 對(duì)采集到的時(shí)域信息進(jìn)行處 理 通過(guò)累加平均去噪的方式提高信號(hào)的信噪比 選擇高斯窗函數(shù)分段多次截取 采集到的時(shí)域上的信息 進(jìn)行短時(shí)傅立葉變換 將得到的頻域上的信息點(diǎn)進(jìn)行擬 合 得出傳感光纖各處的布里淵頻率 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)通過(guò)增大高斯窗函數(shù)的長(zhǎng)度 可 以大大提高系統(tǒng)的空間分辨率 第六章對(duì)全文工作進(jìn)行總結(jié) 并對(duì)該課題的進(jìn)一步工作和研究方向進(jìn)行展望 1 4 2 本文創(chuàng)新點(diǎn) 在脈沖調(diào)制實(shí)驗(yàn)中 發(fā)現(xiàn)增大調(diào)制脈沖的幅值和脈寬 均會(huì)造成傳感光纖 中散射信號(hào)出現(xiàn)非線性效應(yīng)和自發(fā)布里淵信號(hào)功率的增強(qiáng) 但是兩者的側(cè)重點(diǎn)不 同 調(diào)制脈沖的幅值主要影響非線性效應(yīng) 調(diào)制脈沖的脈寬主要影響自發(fā)布里淵 信號(hào)的功率 由此可以選擇合適的調(diào)制脈沖參數(shù) 來(lái)控制散射信號(hào)的非線性效應(yīng) 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 1 緒 論 7 控制布里淵信號(hào)的信噪比 從而優(yōu)化系統(tǒng)性能 通過(guò)算法優(yōu)化 在對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻轉(zhuǎn)化時(shí) 增加每次參與短時(shí)傅 里葉變換的點(diǎn)數(shù) 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的空間分辨率理論值數(shù)十倍以上的提升 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 8 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 2 基于 BOTDR 的分布式傳感技術(shù)的基本理論 9 2 基于 BOTDR 的分布式傳感技術(shù)的基本理論 2 1 光纖中的布里淵散射 光在光纖中傳播時(shí) 并不是百分之百完全向前傳輸?shù)?其中一部分光會(huì)向其他 方向發(fā)生散射現(xiàn)象 從微觀量子理論上來(lái)看 是因?yàn)楣庠趥鞑ミ^(guò)程中 光子與傳 輸介質(zhì)中的分子原子等微觀粒子發(fā)生彈性或非彈性碰撞引起的 碰撞的過(guò)程遵循 動(dòng)量能量守恒定律 碰撞的結(jié)果使一部分本來(lái)向前運(yùn)動(dòng)的光子方向發(fā)生偏離 有 一部分向后運(yùn)動(dòng) 形成了散射光 從宏觀上來(lái)講 由于光纖介質(zhì)的顆粒狀結(jié)構(gòu) 光纖拉制過(guò)程中成分的不均勻等原因?qū)е陆橘|(zhì)的不均勻性 導(dǎo)致了光在傳輸過(guò)程 中的散射現(xiàn)象 而根據(jù)產(chǎn)生介質(zhì)不均勻性的原因 可以將散射光分為瑞利散射 布里淵散射和拉曼散射 19 20 其中瑞利散射是光子同微觀粒子發(fā)生彈性碰撞引起 的 而布里淵和拉曼散射是非彈性碰撞引起的 布里淵散射是入射光波的光子和光纖介質(zhì)中的聲學(xué)聲子碰撞耦合引起的散射 現(xiàn)象 21 22 由于二者之間發(fā)生的是非彈性碰撞 23 因此布里淵散射光的頻率成分 會(huì)發(fā)生改變 分別為相較于入射光頻率上移的反斯托克斯成分和相較于入射光頻 率下移的斯托克斯成分 布里淵散射分為自發(fā)布里淵散射和受激布里淵散射 發(fā) 生自發(fā)布里淵散射時(shí)光纖的光學(xué)特性未發(fā)生改變 這時(shí)斯托克斯分量和反斯托克 斯分量的功率相等 當(dāng)入射光的功率超過(guò)布里淵散射的閾值時(shí) 光纖的光學(xué)特性 發(fā)生改變 產(chǎn)生受激布里淵散射 反斯托克斯分量的功率會(huì)高于斯托克斯分量 2 1 1 自發(fā)布里淵散射 組成光纖的微觀粒子 如分子 原子 時(shí)時(shí)刻刻進(jìn)行不停的熱運(yùn)動(dòng)引起的彈 力學(xué)振動(dòng) 在光纖中形成自發(fā)的聲波場(chǎng) 24 25 該聲波場(chǎng)使光纖介質(zhì)產(chǎn)生疏密相間 的變化 引起光纖折射率在空間上發(fā)生周期性的變化 同時(shí)這種聲波場(chǎng)可以被看 作是一個(gè)沿光纖運(yùn)動(dòng)的折射率光柵 當(dāng)入射光作用在該光柵上發(fā)生衍射時(shí) 會(huì)產(chǎn) 生自發(fā)布里淵散射 Spontaneous Brillouin Scattering SpBS 現(xiàn)象 根據(jù)多普勒效 應(yīng) 當(dāng)入射光的傳播方向同光柵的運(yùn)動(dòng)方向相同時(shí) 衍射出頻率減小的斯托克斯 分量 當(dāng)入射光的傳播方向同光柵的運(yùn)動(dòng)方向相反時(shí) 衍射出頻率增大的斯托克 斯分量 從微觀量子學(xué)的角度解釋 當(dāng)泵浦光的光子同聲學(xué)聲子發(fā)生碰撞時(shí) 產(chǎn) 生一個(gè)新的頻率較低的斯托克斯光子和一個(gè)新的聲子 而這個(gè)新的聲子也可以同 其它的光子結(jié)合 產(chǎn)生一個(gè)頻率較高的反斯托克斯光子 26 由于一個(gè)光子釋放一 個(gè)新的聲子和另一個(gè)光子吸收這個(gè)新的聲子是一一對(duì)應(yīng)的 因此在自發(fā)布里淵散 射過(guò)程中 斯托克斯光和反斯托克斯光的功率相同 布里淵散射的頻移同入射光 的波長(zhǎng) 介質(zhì)的材料屬性相關(guān) 其計(jì)算公式為 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 10 B 2 1 其中 VA為聲波場(chǎng)的速度 也可看作光纖光柵的傳播速度 n為光纖的折射率 p 為入射光在真空中的波長(zhǎng) 就普通的石英光纖而言 其折射率 n 1 44 VA約為 5900m s 當(dāng)入射光的波長(zhǎng)為 1550nm 時(shí) 可以求得布里淵頻移 B 10 96GHz 如 果把入射光的頻率作為 0 在自發(fā)布里淵散射中 斯托克斯光的頻率為 0 B 反 斯托克斯光的頻率為 0 B 若令光纖中的自發(fā)聲波場(chǎng)呈函數(shù) exp t B 衰減 則布里淵能量譜符合洛侖茲 曲線分布 根據(jù)式 2 2 gB gp 2 2 在頻移為 B時(shí)取得布里淵散射譜的峰值功率 gp B為布里淵增益譜的二分之一 峰值譜寬 如圖 2 1 所示 B B 2 B是聲子壽命的倒數(shù) 對(duì)于普通的石英光 纖 聲子壽命通常在 10ns 左右 因此一般光纖的自發(fā)布里淵散射譜寬約在幾十 MHz 對(duì)于布里淵散射光的峰值功率 gp 通常由光纖材料的折射率 縱向彈光系 數(shù) 光纖材料的密度 入射光波長(zhǎng)等因素決定 對(duì)于普通的石英光纖 當(dāng)入射光 波長(zhǎng)為 1550nm 時(shí) 布里淵增益系數(shù)約為 5 10 11m W 27 以上是在輸入光為連續(xù) 光且輸入光的線寬遠(yuǎn)小于布里淵的譜寬 B時(shí)得到的數(shù)據(jù) 布里淵增益系數(shù)會(huì)隨 著入射泵浦光線寬的變窄而提高 圖 2 1 布里淵增益譜 Fig 2 1 Brillouin gain spectrum 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 2 基于 BOTDR 的分布式傳感技術(shù)的基本理論 11 2 1 2 受激布里淵散射 自發(fā)布里淵散射是光纖本身產(chǎn)生的自發(fā)弱聲波場(chǎng)同入射光相互作用的結(jié)果 而受激布里淵散射 Stimulated Brillouin Scattering SBS 是入射光引起的強(qiáng)聲波場(chǎng) 同入射光相互作用的結(jié)果 入射光進(jìn)入光纖后 在傳輸?shù)倪^(guò)程中會(huì)產(chǎn)生向后傳播 的布里淵散射光 其光強(qiáng)會(huì)隨著入射光功率的增加而增強(qiáng) 當(dāng)后向傳播的布里淵 散射光增強(qiáng)到一定程度時(shí) 會(huì)同入射光發(fā)生干涉形成強(qiáng)干涉條紋 從而導(dǎo)致該區(qū) 域光纖的折射率大大增加 產(chǎn)生電致伸縮效應(yīng) 28 電致伸縮效應(yīng)使光纖產(chǎn)生周期 性的振動(dòng) 從而在光纖內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)沿光纖以聲速 VA運(yùn)動(dòng)的聲波場(chǎng) 同時(shí)該聲波 場(chǎng)也可以看作是一個(gè)折射率光柵 入射的泵浦光和該光柵作用發(fā)生布拉格衍射 由于多普勒效應(yīng) 就產(chǎn)生了受激布里淵散射光 由于聲波場(chǎng)是由入射光和向后傳輸?shù)牟祭餃Y散射光發(fā)生干涉引起的 而入射 光再同聲波場(chǎng)進(jìn)一步作用產(chǎn)生的布里淵散射又加強(qiáng)了后向散射的布里淵光 布里 淵光加強(qiáng) 由它同入射光產(chǎn)生的聲波場(chǎng)又被進(jìn)一步加強(qiáng) 如此循環(huán)往復(fù) 入射光 的能量逐步轉(zhuǎn)移到布里淵散射光上 形成受激布里淵散射 原理如圖 2 2 從微觀 量子角度來(lái)分析 產(chǎn)生一個(gè)斯托克斯光子的同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)聲子 產(chǎn)生的聲子 會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)聲波場(chǎng) 加強(qiáng)的聲波場(chǎng)又會(huì)進(jìn)一步催生出更多的斯托克斯光子和聲 子 29 由于入射光激發(fā)出的聲波場(chǎng)同入射光的方向相同 若不考慮自發(fā)布里淵散 射 散射光只有斯托克斯光一種分量 圖 2 2 受激布里淵散射示意圖 Fig 2 2 Diagram of Stimulated Brillouin Scattering 同自發(fā)布里淵散射不同 受激布里淵散射需要當(dāng)入射光達(dá)到某一閾值時(shí) 受 激現(xiàn)象才會(huì)產(chǎn)生 受激布里淵散射的閾值可以從兩方面來(lái)定義 一是當(dāng)斯托克斯 光的增益大于損耗時(shí)的入射光的功率 二是當(dāng)斯托克斯光的功率開(kāi)始迅速增加或 傳輸光的功率開(kāi)始出現(xiàn)飽和時(shí)入射光的功率 無(wú)論以哪種方式定義 受激布里淵 散射的閾值均受傳輸光纖的材料 光纖的有效長(zhǎng)度等因素的影響 對(duì)某一固定光 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 12 纖 SBS 閾值會(huì)隨著光纖長(zhǎng)度的增加而減小直到趨于一個(gè)固定值 2 2 布里淵頻率同溫度和應(yīng)變的關(guān)系 布里淵散射光的頻率和強(qiáng)度受光纖材料聲速的影響 而光纖中聲波場(chǎng)的速度 由光纖的聲學(xué)特性和彈力學(xué)特性決定 當(dāng)溫度和應(yīng)力的變化作用于光纖上時(shí) 光 纖材料中聲波場(chǎng)的速度發(fā)生改變 進(jìn)而影響到布里淵散射光的頻率和強(qiáng)度 30 31 入射光同光纖中的折射率光柵相互作用 根據(jù)多普勒效應(yīng) 產(chǎn)生的布里淵散 射光的頻率應(yīng)該跟入射光的頻率 折射率光柵在光纖中的運(yùn)動(dòng)速度 即聲波場(chǎng)的 傳播速度 VA 相關(guān) 32 此外 布里淵散射光的頻率和散射光的散射角 有關(guān) 對(duì) 于普通的石英光纖來(lái)講 其散射光主要發(fā)生在后向 即 33 當(dāng)入射光的頻率 為 0時(shí) 布里淵散射光的斯托克斯分量的頻率為 0 B 反斯托克斯分量的頻率為 0 B B為光纖中的布里淵頻移 B 2 0 2nVA 0 2 3 其中 是散射光的散射角 取作 n 為光纖材料的折射率 VA為聲波場(chǎng)的速度 c 為光速 其中聲波場(chǎng)的速度可表示為 VA 2 4 其中 E 是楊氏模量 k 為泊松比 為光纖纖芯的密度 由于楊氏模量 泊松比 纖芯密度以及光纖的折射率都是溫度 T 和應(yīng)變 的函數(shù) 可以分別記為 E T k T T n T 代入式 2 4 布里淵頻移 B可表示為 2 5 為了探究溫度對(duì)布里淵頻移的影響 令應(yīng)變 0 代入式 2 5 得到布里淵 頻移同溫度變化的關(guān)系為 2 6 令溫度的變化量為 T 在無(wú)應(yīng)變的情況下 將上述四參量 E T k T T n T 按泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi) 并忽略一階以上級(jí)數(shù)得 2 7 式中 T0為參考溫度 取為 293K T 是溫度相對(duì)于參考溫度的變化量 ET kT T nT分別是楊氏模量 泊松比 纖芯密度以及光纖折射率的溫度系數(shù) 將式 2 7 代入 2 6 并做二項(xiàng)式展開(kāi) 取 T 的一次項(xiàng)可得 2 8 其中 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 2 基于 BOTDR 的分布式傳感技術(shù)的基本理論 13 當(dāng) 20 時(shí) 式 2 8 中的各參數(shù)可以求出 得到在普通的單模光纖中 布里淵頻 移同溫度的關(guān)系式為 2 9 從式 2 9 中可以得出 單模光纖中 在不受外界應(yīng)變的條件下 布里淵光的頻移量 跟溫度的變化量呈線性關(guān)系 在一定范圍內(nèi) 隨著溫度變化的增加頻移量增大 在 2 1 1 章節(jié)中已得出 對(duì)于普通的單模石英光纖 當(dāng)入射光的波長(zhǎng)為 1550nm時(shí) 布里淵光的頻移量約為 10 8GHz 由式 2 9 可以進(jìn)一步得出 在上述條件下 光纖 的溫度每變化 1K 布里淵光譜約頻移 1 2MHz 為探究應(yīng)變和布里淵頻移的關(guān)系 控制溫度不發(fā)生變化 以外界參考溫度 T0 為 293K 為例 布里淵頻移量 B和應(yīng)變量 的關(guān)系可表示為 2 10 光纖的應(yīng)變屬于微小應(yīng)變 將上式在 0 處進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi) 忽略一階以上高 次項(xiàng)得 2 11 其中 E k n 分別是楊氏模量 泊松比 纖芯密度以及光纖折射率的應(yīng)變系 數(shù) 它們的變化量可表示為 在單模光纖中 當(dāng)入射光波長(zhǎng)為 1550nm 時(shí) 將 代入式 2 11 得到 B和 的 關(guān)系式 2 12 從式 2 12 中可以看出 單模光纖中布里淵頻移量同外界的應(yīng)變量也是一種線性變 化關(guān)系 當(dāng)入射光頻率 0 1550nm 時(shí) 光纖所受的應(yīng)力每變化 10 3 引起的布里 淵頻移約為 50MHz 2 3 布里淵光強(qiáng)同溫度和應(yīng)變的關(guān)系 溫度和應(yīng)變?cè)趯?duì)布里淵頻移產(chǎn)生作用的同時(shí) 對(duì)布里淵散射光的光強(qiáng)也會(huì)產(chǎn) 生影響 在Rayligh散射光光強(qiáng)公式的基礎(chǔ)上 可以類(lèi)似推出布里淵光強(qiáng)的表達(dá)式 PB P0S Wv 2 2 13 其中 P0是入射光功率 W 為脈沖寬度 v 為入射光在光纖中的傳播速度 S 為布 里淵散射的背向捕捉系數(shù) 布里淵散射的損耗系數(shù) S 和 會(huì)受到溫度和應(yīng)變的 影響而變化 可以分別表示為 2 14 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 14 式 2 14 中 為真空中入射光波長(zhǎng) Aeff為光纖的有效面積 k為波爾茲曼常數(shù) 為 光纖的彈光系數(shù) 受溫度和應(yīng)力影響的參數(shù)為 光纖的折射率 n 外界溫度 T 光 纖的材料密度 光纖中聲波場(chǎng)的傳輸速度 VA 溫度的變化會(huì)引起參數(shù) T 光纖折射率 n 聲波場(chǎng)速度 VA變化 在外界應(yīng)力 0 的條件下 通過(guò)計(jì)算 PB T PB 0 TPB 0 可以得出布里淵光強(qiáng)隨溫度變化的系 數(shù) 應(yīng)力的變化會(huì)引起光纖折射率 n 聲波場(chǎng)速度 VA 光纖的材料密度 發(fā)生變 化 在外界溫度為某一固定值不變時(shí) 通過(guò)計(jì)算 PB PB 0 PB 0 可以得出布里 淵光強(qiáng)隨應(yīng)變變化的系數(shù) 根據(jù)文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 當(dāng)入射光波長(zhǎng)為 1550nm 時(shí) 布里淵溫度變化系數(shù)為 0 36 0 06 K 應(yīng)力變化系數(shù)為 7 7 1 4 10 4 34 可以看出 布里淵散射光功率隨溫度的變化明顯 受應(yīng)變的影響微弱 可以忽略 不計(jì) 而布里淵散射光的中心頻率同時(shí)受溫度和應(yīng)變的影響 基于此可以采用雙 參量矩陣法 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)溫度和應(yīng)變的同時(shí)測(cè)量 2 4 小結(jié) 本章介紹了光在光纖中發(fā)生的散射現(xiàn)象 分別從宏觀和微觀上分析了自發(fā)布 里淵散射和受激布里淵散射的散射機(jī)理并闡明了兩者的異同點(diǎn) 研究了自發(fā)布里 淵散射中布里淵光譜的頻移和光強(qiáng)同外界溫度和應(yīng)變之間的關(guān)系表達(dá)式 得到布 里淵頻移同溫度和應(yīng)變的量化關(guān)系 為后面章節(jié)搭建 BOTDR 系統(tǒng)平臺(tái) 分析實(shí)驗(yàn) 數(shù)據(jù)起指導(dǎo)和驗(yàn)證作用 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 3 基于 BOTDR 的分布式傳感系統(tǒng)的原理與分析 15 3 基于 BOTDR 的分布式傳感系統(tǒng)的原理與分析 基于布里淵散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)大體上可以分為三種 基于布里淵光 時(shí)域反射 Brillouin Optical Time Domain Reflectometry BOTDR 技術(shù)的分布式系統(tǒng) 基于布里淵光時(shí)域分析 Brillouin Optical Time Domain Analysis BO