大學(xué)學(xué)習(xí)資料：新型分布式光纖傳感器研究

1、新型分布式光纖傳感器研究1 引言入射光與介質(zhì)中的微觀粒子發(fā)生彈性碰撞時(shí)將引起瑞利散射，且其散射光具有頻率以及在散射點(diǎn)的偏振方向均與入射光相同的特點(diǎn)，因此散射光包含了光纖散射點(diǎn)的偏振信息。基于這個(gè)物理規(guī)律，1980年，Rogers提出了偏振光時(shí)域反射技術(shù)(POT-DR)的思想，該技術(shù)是在光時(shí)域反射計(jì)(OTDR)和偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，其基本原理如圖1所示。由激光器發(fā)出的脈沖光經(jīng)過偏振器變成一束線偏振光，再把線偏振光耦合進(jìn)光纖;當(dāng)外界環(huán)境改變時(shí)，光纖中光的偏振態(tài)將發(fā)生變化。同時(shí)，由于光脈沖在光纖中傳輸時(shí)發(fā)生瑞利后向散射，因此通過探測(cè)器探測(cè)后向散射光偏振態(tài)的變化，便可以

2、得到光纖中偏振態(tài)變化的時(shí)間和空間分布。其中偏振器放在A，B的位置均可，若放在A處，則探測(cè)器直接檢測(cè)光偏振態(tài)變化的信息;若放在B處，則探測(cè)器接收由偏振態(tài)引起的光強(qiáng)變化的信息。圖1 POTDR基本原理同OTDR相比，POTDR要求激光脈沖的相干性很強(qiáng)，而且偏振態(tài)調(diào)制光纖傳感器要求有較高靈敏度的檢測(cè)裝置。自POTDR技術(shù)提出后的30年以來，許多研究人員根據(jù)研究的需要提出了各種POT-DR的測(cè)量方案，例如Ellison等人1998年提出的采用旋轉(zhuǎn)波片和起偏器的偏振敏感的光時(shí)域反射技術(shù)，Marc WuliPart等人2001年提出的采用旋轉(zhuǎn)起偏器的偏振敏感的光時(shí)域反射技術(shù)，Sjatalin和Rogers

3、提出采用計(jì)算機(jī)的偏振敏感的光時(shí)域反射技術(shù)。盡管所提出的這些結(jié)構(gòu)不同，但其基本原理都是基于偏振態(tài)的光纖時(shí)域反射技術(shù)。目前，國內(nèi)電子科技大學(xué)、北京交通大學(xué)等高校對(duì)POTDR的機(jī)理、信號(hào)處理方法與采集、測(cè)試準(zhǔn)確度等方面做了一定的研究，也取得了一定的成果。利用POTDR技術(shù)成功分析了光纖中雙折射、拍長、偏振相關(guān)損耗后，國外對(duì)POTDR的研究目前主要集中在機(jī)理和偏振模色散等領(lǐng)域，并利用POTDR對(duì)光線的偏振模的研究變得越來越多，也取得了一定的研究成果，但很少有探測(cè)方面的實(shí)際系統(tǒng)及具體分析報(bào)道。2. 不同調(diào)制原理的POTDR光纖傳感器磁場(chǎng)、電場(chǎng)、壓力、振動(dòng)、加速度和溫度等物理量都能對(duì)在光纖中傳播的光的偏振

4、態(tài)進(jìn)行調(diào)制。最為典型的偏振態(tài)調(diào)制效應(yīng)有電光效應(yīng)、Faraday效應(yīng)以及彈光效應(yīng)。Rogers最早指出了POTDR方法在磁場(chǎng)(通過Faraday效應(yīng))、電場(chǎng)(通過Kerr效應(yīng))、外部壓力(通過彈光效應(yīng))和溫度(通過彈光效應(yīng))等物理量的分布測(cè)試中的潛在應(yīng)用價(jià)值。2.1電流傳感器在電力系統(tǒng)中，由于計(jì)量和繼電保護(hù)的需要，對(duì)高壓輸電線路中的電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是必須的。與普通電流傳感器相比，光纖電流傳感器的絕緣性能好，體積小，成本低，并且頻帶寬，響應(yīng)時(shí)間短，可同時(shí)用于測(cè)量直流、交流及脈沖大電流，因此有望成為在高壓情況下測(cè)量大電流的理想傳感器?；赑OTDR的光纖電流傳感器是利用磁光材料的Fara-day效應(yīng)

5、。在光學(xué)各向同性的透明介質(zhì)中，外加磁場(chǎng)可以使在介質(zhì)中沿磁場(chǎng)方向傳播的線偏振光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)。根據(jù)Faraday效應(yīng)，將單模光纖以半徑R繞在高壓載流線圈上，由電流i所形成的頻率為w的磁場(chǎng)H=i/(2R)，會(huì)引起在其中的長度為L的光纖中線偏振光的偏振面發(fā)生偏轉(zhuǎn)。通過檢測(cè)偏轉(zhuǎn)角度的大小，就可得到相應(yīng)的磁場(chǎng)值，從而測(cè)量出產(chǎn)生該磁場(chǎng)的電流值。在基于Faraday旋光效應(yīng)調(diào)制的POTDR光纖電流傳感器中，瑞利后向散射產(chǎn)生的線偏振光偏振面的偏轉(zhuǎn)角度可由式(1)確定: (1)其中，V為費(fèi)爾德常數(shù)?；赑OTDR的光纖電流傳感器的測(cè)量原理如圖2所示，由激光器發(fā)出的光脈沖經(jīng)顯微物鏡1耦合到偏振片，變成線偏振光，

6、再經(jīng)顯微物鏡2耦合進(jìn)入單模被測(cè)光纖。單模光纖受外界磁場(chǎng)影響，光纖中線偏振光的偏振態(tài)將發(fā)生改變，同時(shí)散射光具有散射點(diǎn)的偏振信息。通過模消除器，分離出后向散射光，由聚焦物鏡耦合到探測(cè)器，再經(jīng)信號(hào)處理后輸出光強(qiáng)為: (2)其中，是一個(gè)常數(shù); 為磁場(chǎng)的振幅。圖2 POTDR光纖電流傳感器原理基于Faraday效應(yīng)工作的光纖電流測(cè)量系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、測(cè)量范圍大、靈敏度高、與高壓線不接觸、可以實(shí)現(xiàn)無中斷檢測(cè)、輸入輸出間絕緣等諸多優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代電流測(cè)量研究的熱點(diǎn)之一，具有廣泛的發(fā)展前景?，F(xiàn)對(duì)于該類型傳感器的主要問題是如何消除線形雙折射、振動(dòng)、環(huán)境溫度等的影響，由于這些問題的復(fù)雜性，實(shí)用化商品仍很少見。2.2電

7、壓傳感器光纖電壓傳感器主要用于電力系統(tǒng)供電網(wǎng)電壓檢測(cè)，用具有Pockels效應(yīng)的晶體做成傳感頭，利用光纖完成信號(hào)的傳輸并形成系統(tǒng)。由于光纖自身的優(yōu)點(diǎn)，光纖電壓傳感器越來越受到人們的關(guān)注。外加電場(chǎng)的作用引起材料折射率變化的效應(yīng)，稱為電光效應(yīng)，它包括Pockels效應(yīng)和Kerr效應(yīng)兩種。折射率變化與外加電場(chǎng)強(qiáng)度的一次方成正比時(shí)稱為Pockels效應(yīng)或線性電光效應(yīng);折射率變化與外加電場(chǎng)強(qiáng)度的二次方成正比時(shí)稱為Kerr效應(yīng)或二次電光效應(yīng)?；赑OTDR的光纖電壓傳感器的基本原理是利用晶體的電光效應(yīng)，當(dāng)線偏振光通過外加電場(chǎng)作用的電光晶體時(shí)會(huì)發(fā)生雙折射，而且雙折射的兩光波之間的相位差隨外加電壓而變化，這樣

8、就可以通過檢測(cè)相位差得出被測(cè)電場(chǎng)相關(guān)的信息，從而得到被測(cè)電壓值U=Ed。采用電光材料作為傳感器探頭的POTDR光纖電壓傳感器的基本測(cè)量原理如圖3所示。作為傳感器探頭的晶體具有Pockels效應(yīng)。由激光器發(fā)出的光經(jīng)偏振器變?yōu)榫€偏振光，然后經(jīng)光纖傳送到1/4波片，變成圓偏振光進(jìn)入晶體;晶體探頭由于電場(chǎng)的作用，其雙折射特性將發(fā)生變化，使得晶體內(nèi)的光束受到調(diào)制，晶體長度為l在外加電場(chǎng)方向的厚度為d;后向散射光經(jīng)過檢偏器后轉(zhuǎn)換為輸出光強(qiáng)的變化量，由光接收系統(tǒng)檢測(cè)出被測(cè)電場(chǎng)的信息，從而得出電壓的值。光纖dl段受到外界電場(chǎng)E(l)作用時(shí)，dl內(nèi)兩偏振模的相位差發(fā)生改變，則有: (3) (4)式中，是電光系數(shù)

9、;是光波長;是尋常光的折射率;g是光纖中的光速。圖3 POTDR光纖電壓傳感器原理與Pockels效應(yīng)不同的是，Kerr效應(yīng)不僅可以存在于某些晶體中，還可以存在于某些液體中，因而可用于液體電場(chǎng)的傳感，但Kerr效應(yīng)很弱，而且外加電場(chǎng)與n之間不是線性關(guān)系。對(duì)于光纖電壓傳感器我國早些年就做了大量的研究，現(xiàn)在主要工作還在于信號(hào)處理、溫度補(bǔ)償、自然雙折射補(bǔ)償?shù)确矫?。用這種傳感器可用于對(duì)電力系統(tǒng)中因各種開關(guān)操作及事故引起的瞬態(tài)電場(chǎng)以及高壓試驗(yàn)室內(nèi)沖擊電場(chǎng)的準(zhǔn)確記錄與測(cè)量，架空輸電線下的空間電場(chǎng)和高壓機(jī)器及附屬裝置電場(chǎng)分布的測(cè)量。2.3應(yīng)力傳感器偏振態(tài)對(duì)外界擾動(dòng)非常靈敏，可以檢測(cè)出光纖線路是否受到微擾，所

10、以基于POTDR的光纖應(yīng)力傳感器非常適合用于監(jiān)測(cè)和保護(hù)國境、軍事基地、發(fā)電站等重要場(chǎng)所周圍的安防監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。當(dāng)光纖線路上某區(qū)域的溫度和應(yīng)變發(fā)生變化時(shí)，由于彈光效應(yīng)，該區(qū)域光纖的折射率及密度將會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致該區(qū)域瑞利散射光相位的變化。長度為l、楊氏模量為M的光纖dl段受到外界應(yīng)力F(l)作用時(shí)，dl內(nèi)兩偏振模的相位差發(fā)生改變，則有: (5) (6)式中，n是芯層介質(zhì)折射率;是泊松比;p12和p11是彈光系數(shù);自由空間波長;g是光纖中的光速。外界應(yīng)力F(l)不僅改變光纖中原有的折射率，使兩模式間的相位差發(fā)生變化，而且會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)偏振模式在該位置產(chǎn)生“模耦合”，從而改變兩模式間的振幅比。折射率與模

11、耦合共同作用將導(dǎo)致光纖中光束偏振態(tài)發(fā)生變化，因此偏振態(tài)的變化就包含了外界應(yīng)力F(l)的信息，利用POTDR求出光纖中偏振態(tài)的演化規(guī)律的變化就可以實(shí)現(xiàn)分布式傳感。如圖4所示，由激光器輸出的光經(jīng)摻鉺光纖放大器(EDFA1)放大后，再經(jīng)過環(huán)形器、偏振控制器和起偏器進(jìn)入待測(cè)光纖。偏振控制器使摻鉺光纖放大器(EDFA1)輸出的偏振態(tài)與起偏器的起偏方向保持一致。光纖中任意點(diǎn)的后向瑞利散射光返回經(jīng)過起偏器后，將偏振信息轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)度的變化。此微弱信號(hào)經(jīng)摻鉺光纖放大器(EDFA2)放大后再經(jīng)耦合器分為兩路:一路作為觸發(fā)信號(hào)，另一路作為采集信號(hào)。當(dāng)觸發(fā)邏輯與設(shè)定的觸發(fā)方式相吻合時(shí)，將采集結(jié)果緩存到AD card中

12、;采集結(jié)束后，計(jì)算機(jī)從上面讀取數(shù)據(jù)。圖4 POTDR光纖應(yīng)力傳感器原理目前，POTDR在監(jiān)測(cè)上主要用于測(cè)應(yīng)力，對(duì)該技術(shù)的研究重點(diǎn)在于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、提高分辨率、靈敏度等。2.4溫度傳感器利用POTDR是測(cè)量溫度的一個(gè)很方便的方法，它同樣是基于材料的彈光效應(yīng)，不同的是光纖受到的應(yīng)力源自于外界溫度的變化，其測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與圖4所示的結(jié)構(gòu)相同。當(dāng)光纖長度l處的dl段受到外界溫度(l)作用時(shí)，dl段的相位差，則有: (7) (8)式中，n是芯層介質(zhì)折射率;是泊松比;p12和p11是彈光系數(shù);自由空間波長;是溫度系數(shù);g是光纖中的光速。光纖瑞利后向散射系數(shù)取決于纖芯的材料，在常規(guī)實(shí)心玻璃光纖中，由于瑞利后向

13、散射系數(shù)隨溫度變化不大，限制了測(cè)量的范圍，因此該方案在實(shí)際應(yīng)用中還未能得到很好的利用。3. POTDR光纖傳感器應(yīng)用現(xiàn)狀分析分析幾種不同的調(diào)制原理可知測(cè)電壓、電流的理論相對(duì)成熟；應(yīng)力、振動(dòng)測(cè)量精度高，目前有關(guān)的研究也比較熱，多用于應(yīng)變檢測(cè)、海底光纜防竊聽、橋梁、隧道、災(zāi)害監(jiān)測(cè)與山體滑坡自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)方面將具有更廣泛的應(yīng)用前景;利用POTDR光纖傳感器測(cè)量溫度，由于受瑞利后向散射系數(shù)的限制，對(duì)其應(yīng)用的實(shí)施和推廣還存在著很多技術(shù)難點(diǎn)?；赑OTDR的分布式光纖傳感技術(shù)到目前為止，存在的主要問題：(1)很難從測(cè)量結(jié)果中準(zhǔn)確地分離出哪些是溫度的影響，哪些是應(yīng)力的影響。(2)POTDR光纖傳感器只能探測(cè)光

14、纖內(nèi)第一個(gè)外來力施加點(diǎn)，對(duì)之后的外來力無法判斷。(3)POTDR系統(tǒng)的偏振態(tài)對(duì)外界環(huán)境非常敏感，很難保持傳輸光纖中偏振態(tài)穩(wěn)定性。(4)POTDR光纖傳感器還存在其他分布式光纖傳感中普遍存在的空間分辨率低、信噪比差的問題。4. 展望根據(jù)一家市場(chǎng)調(diào)查分析公司Business Communi-cations Company發(fā)布的關(guān)于光纖傳感器市場(chǎng)報(bào)告，到2011年底，全球光纖傳感器(FOS)的產(chǎn)值有望從2010年的288億美元增長到372億美元。2011年之前，整體市場(chǎng)保持適度增長態(tài)勢(shì)，平均年復(fù)合增長率為41%?？梢酝茰y(cè)，光纖傳感系統(tǒng)成本的降低以及測(cè)量精度等指標(biāo)的提高，必將促使基于POT-DR的分布式光纖傳感器的研發(fā)更加深入。(1)POTDR監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與其他的OTDR監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合構(gòu)造監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)可同時(shí)監(jiān)測(cè)光