分布式光纖應力傳感器的設計

光纖應力傳感器設計學院：理學院姓名：覃康叢班級：09光信息科學與技術2班學號：200930461173指導老師：吳俊芳要求：1、采用光纖傳感器實現應力的分布式（全分布式或準分布式）測量。畫出原理圖，注明所需器件的名字，包括光源、探測器，及其他必要器件，指明每個器件的必要參數。2、說明測量原理。包括必要的數學公式、信號的解調方式等。3、分析傳感器的工作特點，如分析傳感器的優(yōu)缺點（文獻中常指出優(yōu)點而不提缺點）？適于測量動態(tài)還是靜態(tài)信號？初始參數如何設置？等。4、所設計傳感器的應用。基于d-OTDR的分布式光纖應力傳感器分布式光纖傳感技術是把被測量作為光纖位置長度的函數，應用光纖幾何上的一維特性在整個光纖長度上對沿光纖幾何路徑分布的外部物理參量進行測量的技術。分布式光纖傳感技術利用光纖自身集傳輸和傳感為一體的特點，充分體現了光纖分布伸展的優(yōu)勢，提供了同時獲取被測物理參量的空間分布狀態(tài)和隨時間變化信息的手段。分布式光纖傳感技術是基于光纖工程中廣泛應用的光時域反射（opticaltimedomainreflectometry,OTDR）技術發(fā)展起來的一種新型傳感技術。OTDR是光纖分布測量的基礎。1．光時域反射原理光在光纖中傳輸會發(fā)生散射，包括由光纖折射率變化引起的瑞利散射、光學聲子引起的拉曼散射和聲學聲子引起的布里淵散射三種類型。瑞利散射是當光波在光纖中傳輸時，遇到光纖纖芯折射率n在微觀上隨機起伏而引起的線性散射，是光纖的一種固有特性，瑞利散射其波長不發(fā)生變化。而拉曼散射和布里淵散射是光與物質非彈性散射時所攜帶出的信息，散射波長相對于入射波長發(fā)生偏移。瑞利散射在整個空間都有分布，其中存在沿光纖軸向向前和向后的散射，我們稱沿光纖軸向向后的散射為瑞利后向（背向）散射。OTDR是基于測量后向瑞利散射光信號的實用化測量儀器。利用OTDR可以方便地從單端對光纖進行非破壞性的測量，它能連續(xù)顯示整個光纖線路的損耗相對于距離的變化。如圖1所示，OTDR測試是通過將光脈沖注入到光纖中，當光脈沖在光纖內傳輸時，會由于光纖本身的性質、連接器、接頭、彎曲或其它類似的事件而產生散射、反射，其中一部分的散射光和反射光經過同樣的路徑延時返回到OTDR中。OTDR根據入射信號與其返回信號的時間差t,很容易推出下式計算出上述事件點的距離:ct2n

式中c為光在真空中的速度，n為光纖纖芯的有效折射率。圖1OTDR本身具有分布測量的特點，然而當其用于分布式傳感時，靈敏度卻很低，因此，在傳統(tǒng)的OTDR基礎上發(fā)展出了基于OTDR結構的分布式光纖傳感技術。其中包括基于拉曼散射的R-OTDR技術，基于布里源散射的B-OTDR技術，基于瑞利散射的偏振光時域反射計P-OTDR技術和相位敏感光時域反射計Q-OTDR技術。本文主要探討基于Q-OTDR技術的傳感器的設計問題。基于OTDR的分布式光纖應力傳感器原理光纖應力檢測是通過光纖在應力作用下發(fā)生微彎擾動，根據OTDR工作原理，當光纖某點處存在缺陷或外界擾動引起微彎，其背向散射光強在該處就有一定的衰減，會產生微彎損耗，檢測這一損耗大小從而實現對應力的檢測。如圖2所示。圖2設光纖受到微彎擾動（應力變化量）為AP,光纖微彎變形為Ax，其引起相應的微彎損

耗的變化量為Aa,則有AaAa=f APAx式中fAa為靈敏度系數。Ax設注入光纖的光脈沖峰值功率為P(0),則光脈沖沿光纖傳輸到x處，經過n個應力調制區(qū)，在x處得到的背向散光功率P(x)為Px=P(O)nexp@—2ax—2(al+a2+—+叫)式中a為光纖的的衰減系數；n為瑞利背向散射因子；ai為第i個應力調制區(qū)引起的衰減量。第i個調制區(qū)的前后x1、x2兩點的背向散射光功率Px1、P(x2)為Px1=P(O)nexpP|—2ax—2(al+a2+…+ai—1)Px2=P(O)nexp@—2ax—2(ai+a2+ +ai)可以近似得到1a. -in?PhPx2只要測量出Px1Px2就可以得到PhPx2只要測量出Px1Px2就可以得到a.,從而得到應力變化量AP。①-OTDR的基本原理與常規(guī)OTDR一樣，光脈沖從光纖的一端注入，用光探測器探測背向瑞利散射光，不同的是注入光纖中的光是強相干光。與常規(guī)OTDR一樣，①-OTDR通過測量注入脈沖與接收到的信號之間的時間延遲來得到擾動位置。當光纖線路上因為擾動而引起相應位置光纖的折射率等相關參數的變化時，該位置的光相位將發(fā)生改變。我們知道散射光傳輸到探測器經歷的是相位的周期性變化，通過檢測變化的干涉結果將得到擾動位置。圖3給出這個過程的示意。激蕪-TL 入慢也即激蕪-TL 入慢也即時間圖3基于＜p-OTDR的分布式光纖應力傳感器設計傳感器原理圖如圖4所示。整個系統(tǒng)主要由光纖激光器(Fiberlaser)、光調制器(MOD)、EDFA放大器、帶通濾波器(BPF)、耦合器(Coupler)、傳感光纖、光電探測器(Photodetector)、數據采集中心組成。激光器發(fā)出的連續(xù)光經過調制后產生光脈沖，光脈沖被EDFA放大器放大，由帶通濾波器濾除噪聲，再通過耦合器進入傳感光纖。背向散射光經光電探測器探測并濾波放大后傳給數據處理中心(DAC、PC)。圖4下面我們討論該系統(tǒng)主要器件及其主要性能參數，數據處理我們在第5節(jié)再討論。激光器激光器是Q-OTDR系統(tǒng)中最關鍵的部件。與常規(guī)的OTDR相比，(p-OTDR需要極窄的線寬和極小的頻率漂移。窄線寬是Q-OTDR系統(tǒng)的關鍵，是系統(tǒng)能夠響應光相位變化的基本條件,且線寬越窄，干涉作用越強，系統(tǒng)的靈敏度就越高，這是區(qū)別于OTDR的主要特點之一。頻率漂移會引起p-OTDR背向散射曲線抖動，使噪聲增大，影響傳感系統(tǒng)性能。由于耦合損耗的存在，激光進入光纖之前已經損失了部分功率，因此如果是遠距離傳感，則需要選擇大功率的激光器。如果對上述條件都要滿足，可以選取輸出功率＞50mW，線寬＜3KHz，頻率漂移1~1.5MHz/min的激光器基本上已經可以。調制器系統(tǒng)中使用的探測信號為光脈沖，就必須對光進行調制器。中等距離傳感可以選用電光調制器，可以實現定位為15km以內的分布式傳感系統(tǒng)。聲光調制器用于遠距離傳感，定位范圍達到25km以上，但是價格昂貴?？梢愿鶕唧w要求選擇適合的調制器。放大器對于遠距離分布式傳感，光經調制后為了得到功率補償，要進行信號放大。這里我們使用EDFA放大器作為功率放大器。EDFA具有增益高，噪聲低，輸出功率高，泵浦效率高等良好特性。自發(fā)輻射是EDFA的主要噪聲源，為了降低噪聲，可以使用如圖5所示的改進型WDM結構。光信號經過第二第三個WDM結構后（相當于實現了濾波），很大程度的抑制了自發(fā)輻射，減少噪聲。Pump圖5另外，敏感光纖可以使用通信用的標準單模光纖，探測器選用高靈敏度的PIN—FET組件。數據處理（1）相位解調原理兩束相干光束同時照射在一光電探測器上，光電流的幅值將與兩光束的相位差成函數關系。兩光束的光場相疊加，合成光場的電場分量為Et=EiSin3t+E2Sin3t+申式中：E］為參考光束中的光場振幅;E?為信號光束中的光場振幅;①為干涉光束之間的變光相位差;3為光角頻率。光電探測器對合成光束的強度產生響應。設自由空間的阻抗為Z0，則入射到光電探測器光敏面A0的功率為Pt=￥Z0最終探測信號電流為其中杠=（呵/加〕｛&/ZJ探測器響應的是光波在許多周期內測得的平均功率?？紤]到探測器不能響應如此高頻的光頻變化，上式可以簡化為可見’通過干涉現象可把光束之間的相位差變化轉變?yōu)楣鈴娮兓?=E2=；時上式可進一步化簡為取微分得di（/）=—hiii輕d牛上式表明，探測器輸出電流變化取決于兩光束的初相位（Po和相位變化d申。（2）數據采集單模光纖的后向散射光極其微弱，并且隨著光纖通信中繼距離的加大，以及光纖生產參數控制越來越好，單模光纖中的后向散射光更加微弱，遠端光纖鏈路上的后向散射光信號通常是淹沒在噪聲中。因此必須使用有效的探測方法和信號處理方法，從噪聲提取信號，來獲得大動態(tài)范圍，以實現對光纖鏈路的遠距離測量要求。信號處理與控制電路由激光器的脈沖驅動源、信號放大電路、A/D轉換器、控制單元、顯示器等組成。信號處理通道的帶寬對空間分辨率有較大的影響。因此，系統(tǒng)采用低噪聲100M寬帶放大器和100M的A/D轉換器組成數據采集通道。用嵌入式CPU板作為控制中心，組成便攜式的分布式光纖應力傳感器。光探測方法有直接探測、外差探測、相干外差探測等。直接探測加數字平均是OTDR數據處理技術中最成熟也是使用最多的方法。這種方法將單個光脈沖注入被測光纖，多次測量其后向散射功率，然后取平均值，就可以還原埋藏在噪聲中的后向散射信號。用單片機對OTDR中得到的數字化的后向散射信號多次測量累加，然后除以測量次數，就可以實現數字平均。實驗表明，這種方法得出的結果信噪比已經很高，可以獲得較大的動態(tài)范圍。p-OTDR分布式光纖應力傳感器主要性能參數動態(tài)范圍動態(tài)范圍是系統(tǒng)中非常重要的一個指標，直接決定了系統(tǒng)的測量范圍。動態(tài)范圍目前還沒有一個統(tǒng)一的標準的計算方法，通常定義為：始端的后向散射功率與噪聲的峰值功率間的dB差。如下式描述。1 p0 pTnR=2xioig〒=5ig罟nn式中，n為后向散射因子，Pn表示接收靈敏度，為給出單程動態(tài)范圍而引入1/2因子。從中可以看出，要獲得大動態(tài)范圍有三種途徑：提高系統(tǒng)的信噪比和入纖光脈沖功率，以及提高接收機的靈敏度。空間分辨率空間分辨率，也就是系統(tǒng)的定位精度是系統(tǒng)又一個主要的指標。空間分辨率指的是系統(tǒng)所能分辨的兩個相鄰時間點間的最短檢測距離?？臻g分辨率Az與探測脈沖的寬度和折射率等參數有關，且有cTAz=嚴2ng其中Tp是探測脈沖的寬度,ng代表群折射率。O目前提高空間分辨率的方法只有調整輸入光脈沖寬度來相應的改變空間分辨率。實驗分析表明，空間分辨率與傳感距離有著比較重要的關系，可以根據不同的場合來設定相應的空間分辨率，但空間分辨率也不是可以無限制的提高的，在達到某一值后就不能再得到提高。靈敏度靈敏度是系統(tǒng)較為關鍵的參數，它指的是系統(tǒng)對事件的響應能力。影響系統(tǒng)靈敏度的關鍵因素包括光源的線寬以及系統(tǒng)所處的環(huán)境。由于OTDR系統(tǒng)采用的是半導體激光器，其線寬很寬，一般達到幾GHz到幾THz,這樣該系統(tǒng)不能響應光相位調制，甚至在OTDR系統(tǒng)中這種相位調制被看作是噪聲。與常規(guī)OTDR相比，Q-OTDR有非常窄的線寬，基于此該系統(tǒng)能夠響應光相位變化的基本條件，且線寬越窄，干涉作用就越明顯，系統(tǒng)的靈敏度就越高。p-OTDR分布式光纖應力傳感器的優(yōu)點與不足Q-OTDR分布式光纖應力傳感器抗電磁干擾、抗腐蝕、靈敏度高等特點，而且具有隱蔽性好、報警定位精確、數據處理電路相對簡單等特點，適合于大范圍、長距離實時檢測。由于EDFA放大器的集中式放大，傳感光纖前端的信號功率較大，并且在整個傳感光纖上信號功率不均衡，從而使0-OTDR系統(tǒng)存在兩個嚴重問題：（1）前端容易出現非線性效應，這不僅會干擾傳感信號，而且當信號光功率大于光纖布里淵閾值后，信號光會產生受激布里淵效應，信號光在入射端附近功率會急劇下降，能量急劇向布里淵散射光轉換，從而使信號傳輸距離不能得到有效增加。（2）光纖中功率分布不均衡，使得前后端的傳感光纖靈敏度差別很大，并且在同樣環(huán)境下，前端光纖更容易受環(huán)境噪聲的影響，尤其是外界噪聲變化較大時，后端的擾動信號會被噪聲淹沒，將會大大降低系統(tǒng)遠端性能，增加誤報率。雖然我們使用均衡的方法可以一定程度解決這個問題，但是后端功率太小以后會導致擾動信號的信噪比降低，不易被識別。這也就是說，如果想實現更長距離的傳感，就要求更大輸出功率的EDFA放大器，但這也就意味上述兩個問題更加嚴重，同時由于自身存在的ASE噪聲，如果將EDFA進行級聯或者與其它放大器混合使用，將使得ASE噪聲大大增加，削弱遠端相干效應。所以p-OTDR分布式光纖應力傳感器存在傳感距離的限制問題。（p-OTDR分布式光纖應力傳感器的應