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 業(yè) 通信與信息系統(tǒng) 學(xué)科門類 工 學(xué) 重慶大學(xué)通信工程學(xué)院 二 O 一六年四月 萬方數(shù)據(jù) 萬方數(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 萬方數(shù)據(jù) 萬方數(shù)據(jù) 中文摘要 I 摘 要 基于布里淵光時域反射 BOTDR 的分布式光纖傳感系統(tǒng) 具有良好的實時性 準確的空間分辨率和測量精度 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也簡單易實現(xiàn) 一經(jīng)問世便得到國內(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 基于相干拍頻探測法搭建了分布式傳感系統(tǒng) 實現(xiàn)了對溫 度和應(yīng)變變化的監(jiān)測 并通過脈沖調(diào)制實驗和后期的信號處理算法 提高了布里 淵信號的信噪比 進而實現(xiàn)了對系統(tǒng)空間分辨率 測量精度等參數(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)生機理 研究布里淵信號的頻率和光強同溫度和應(yīng)力變化的定量關(guān)系 討論 系統(tǒng)的兩類實現(xiàn)方式 直接探測和相干拍頻探測 并詳細介紹系統(tǒng)的主要性能參 數(shù)及其各自的影響因素 實驗搭建基于 BOTDR 的分布式傳感系統(tǒng) 并對組成系統(tǒng)的重要器件 布里 淵激光器和摻鉺光纖放大器進行特殊設(shè)計 通過實驗對各器件的性能參數(shù)進行測 試和改進 介紹了聲光調(diào)制器 AOM 的工作原理 實驗分析調(diào)制脈沖對傳感光 纖中自發(fā)布里淵散射的影響 采用 10km的傳感光纖 通過多次脈沖調(diào)制實驗 分析不同脈沖寬度和幅值 對傳感光纖中散射信號的影響 選擇380mV 300ns的調(diào)制脈沖進行溫度傳感實驗 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)制脈沖進行應(yīng)力傳感實驗 得出應(yīng)力變化同布里淵頻移的定性關(guān)系 實現(xiàn)系統(tǒng) 的空間分辨率 2m 在信號處理部分 首先通過累加平均去噪的方式實現(xiàn)信號信噪比的提高 選擇高斯窗函數(shù)分段多次截取采集到的時域上的信息 進行短時傅立葉變換 將 得到的頻域上的信息點進行擬合 得出傳感光纖各處的布里淵頻率 通過增大高 斯窗函數(shù)的長度 將溫度傳感實驗中系統(tǒng)的空間分辨率由 15m 提高至 3m 甚至更 高 通過選擇合適的調(diào)制脈沖 可以有效避免非線性效應(yīng)帶來的影響并同時提高 系統(tǒng)的信噪比 實現(xiàn)了對溫度和應(yīng)變的檢測 并對系統(tǒng)的空間分辨率進行了優(yōu)化 該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單且成本較低 進一步提高系統(tǒng)性能將在未來的實際應(yīng)用中發(fā)揮出 更大的作用及價值 萬方數(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)的分類分布式光纖傳感技術(shù)的分類 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 本文主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新點本文主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新點 5 1 4 1 本文主要研究內(nèi)容 5 1 4 2 本文創(chuàng)新點 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 布里淵光強同溫度和應(yīng)變的關(guān)系布里淵光強同溫度和應(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)的實現(xiàn)方式系統(tǒng)的實現(xiàn)方式 15 3 1 1 直接探測法 15 3 1 2 相干拍頻探測法 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 動態(tài)范圍 19 3 2 3 空間分辨率 20 3 2 4 溫度應(yīng)變測量精度 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)計及關(guān)鍵技術(shù)研究的分布式傳感系統(tǒng)的設(shè)計及關(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)計的分布式傳感系統(tǒng)的設(shè)計 23 4 2 種子光源種子光源 25 萬方數(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)制脈沖幅度對后向散射光的影響 29 4 3 2 調(diào)制脈沖寬度對后向散射光的影響 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)變實驗及分析分布式傳感系統(tǒng)的溫度和應(yīng)變實驗及分析 43 5 1 系統(tǒng)的信號分析處理流程系統(tǒng)的信號分析處理流程 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 溫度傳感實驗與分析溫度傳感實驗與分析 47 5 2 1 脈沖調(diào)制實驗 47 5 2 2 溫度和 Brillouin 頻率的關(guān)系 51 5 3 應(yīng)變傳感實驗與分析應(yīng)變傳感實驗與分析 55 5 3 1 脈沖調(diào)制實驗 55 5 3 2 應(yīng)變和 Brillouin 頻率的關(guān)系 58 5 4 實驗問題分析實驗問題分析 61 5 4 1 本實驗不足之處 62 5 4 2 進一步優(yōu)化實驗 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 參考文獻參考文獻 73 萬方數(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 70 年代 以光纖作為載體實現(xiàn)對外界信號的感知 及傳輸 光在光纖中傳輸時 其本身的特征參數(shù)如 強度 頻率 相位 偏振態(tài) 波長等受到外界因素的影響會發(fā)生不同程度的變化 該過程就是外界參數(shù)對所傳 輸?shù)墓庑盘柕恼{(diào)制過程 光纖將經(jīng)過調(diào)制后的信號傳送至光探測器進行解調(diào) 通 過分析處理就可以得出被測量如溫度 應(yīng)變 振動 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 敏感度高 光纖易于接受外界 各種場的加載 是一種優(yōu)良的敏感元件 抗干擾性強 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 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)歷了準分布 式 分布式兩個階段 相較于準分布式 分布式傳感技術(shù)能夠獲取傳感光纖沿途 隨時間和空間變化的連續(xù)信息 具有以下優(yōu)點 測量精度高 空間分辨率高 測量范圍大 可以在光纖長度范圍內(nèi)進行連續(xù)的實時測量 相較于只能獲得局部分段信 息的準分布式傳感器 具有更優(yōu)化的性能和更低的成本 結(jié)構(gòu)簡單 易于搭建 分布式傳感系統(tǒng)的信號傳感器件僅為光纖 便于搭 建多股以達到被測區(qū)域信息的多維空間分布情況 基于以上優(yōu)點 光纖傳感技術(shù)一經(jīng)問世便受到極大重視 被廣泛應(yīng)用于國防 系統(tǒng) 工業(yè)生產(chǎn) 交通運輸 安全監(jiān)測 環(huán)境保護 生物醫(yī)學(xué) 精密測量等各領(lǐng) 域 1 本論文基于橫向課題 高壓輸電線溫度應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng) 完成 與項目組成員 朱敏同學(xué)共同完成 本論文側(cè)重于利用共同搭建的實驗平臺分別完成對溫度與應(yīng) 力的監(jiān)測 并運用軟件算法對系統(tǒng)空間分辨率進行優(yōu)化 1 2 分布式光纖傳感技術(shù)的分類 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通道 斯托克斯光作 為參考通道 通過計算二者光強的比值 可解調(diào)出待測區(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方式 可以有效消除光源頻率不 穩(wěn)定 光傳播過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)致測量距離受限 2 3 瑞利散射是光在傳播過程中與光纖介質(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 向散射光的強度會受沿途光纖的瑞利散射系數(shù) 損耗特性的影響 通過監(jiān)測瑞利 散射光的強度來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 斷點的位置 這就是光時域反射計 OTDR 的原理 目前基于瑞利散射 的用來監(jiān)測光纖斷點故障的光時域傳感器已經(jīng)非常成熟 后來根據(jù)瑞利散射系數(shù) 受溫度的影響 通過觀察散射光強度的變化實現(xiàn)對光纖沿途溫度場的監(jiān)測 不過 由于在傳統(tǒng)的石英光纖中 散射光強對溫度變化并不明顯 導(dǎo)致檢測精度較低 目前已采取溫敏系數(shù)較高的液芯光纖來實現(xiàn)基于瑞利散射的分布式溫度傳感器 6 總體說來 瑞利散射光的波長同入射光源一致 光功率相較于其它兩種散射也是 最強的 用 OTDR 技術(shù)來確定光纖各處的損耗 故障點 斷點的位置已經(jīng)相當(dāng)成 熟 但是由于瑞利散射的光功率對溫度 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)用遠遜于其它兩種技術(shù) 萬方數(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 時刻在進行著振動 導(dǎo)致微觀上光纖的折射率在時間和空間上會發(fā)生周期性的變 化產(chǎn)生一個自發(fā)的聲波場 光進入光纖后 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 受光纖材料特性影響的布里淵散射光的特性也會發(fā)生變化 基于此可以實現(xiàn)對外 界溫度和應(yīng)力等其他的同時測量 此外基于布里淵散射的分布式傳感器還具有測 量范圍廣 空間分辨率高 測量精度大等優(yōu)點 一經(jīng)問世便得到行業(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 未來還需要實現(xiàn)在理論和技術(shù)上 的進一步突破 以達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)長距離 高精度的應(yīng)變和溫度檢測 根據(jù)散射機理的不同可以 分為 基于受激布里淵散射的光時域分析 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試光纖的兩端打入測試光纖 通過不斷調(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 就會在該區(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 入測試光纖 另一路則直接以連續(xù)光的形式打入測試光纖 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 脈沖光的能量會向連續(xù)光轉(zhuǎn)移 該傳感方 式稱之為布里淵增益型 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 此時連續(xù)光的能量會向脈沖光轉(zhuǎn)移 該傳感方式稱之為布里淵損耗型 在實際探測過程中 當(dāng)測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 由 B變?yōu)?B 該部分散射回來的信號光的功率會發(fā)生急劇的 衰減 此時通過調(diào)節(jié)兩路光源的頻差 來獲得該部分信號光的最強功率 此時兩 路光源的頻差就是該部分的布里淵頻移 通過對信號的進一步解調(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)致脈沖光在測試 光纖中的傳輸距離有限 導(dǎo)致整個系統(tǒng)的監(jiān)測距離受限 而布里淵損耗型傳感系 萬方數(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 有利于系統(tǒng)進行更長距離的探測 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 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)并初步實現(xiàn)了對應(yīng)力的測量 14 1993 年加拿大的 Bao Xiaoyi等 人實現(xiàn)了對 32km長光纖沿途溫度的監(jiān)測 達到了 5m的空間分辨率 隨后 Bao 教 授又與加拿大 OZ 公司合作 實現(xiàn)了溫度和應(yīng)變的同時檢測 并進一步提高了系統(tǒng) 的空間分辨率 15 隨著對系統(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)具有測量精度高 測量范圍大等優(yōu)點 但是由于需要雙光源輸入 系統(tǒng)較為復(fù)雜 不便于搭建 無法測量斷點 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)展起來的 在光時域反射儀 OTDR 中 通過對光纖中向后散射的瑞利光強度的分析 可以實現(xiàn)光纖斷點 故障點的 監(jiān)測以及光纖沿途溫度變化的監(jiān)測 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 通過對 散射信號解調(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)布里淵信號十分微弱 一般比入射光功率小 50 60dB 相較于瑞利信號 也低 20dB 左右 導(dǎo)致監(jiān)測起來較為困難 測量距離也受限 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 通過耦合器在傳感光纖的同一端收集散射回來的自發(fā)布 里淵信號 經(jīng)由探測器接收檢測 17 常用的檢測方法有直接檢測法和相干檢測法 直接檢測法是將散射回來的信號經(jīng)過濾波 取出有用的布里淵信號 通過對 布里淵信號進行解調(diào)得出溫度和應(yīng)變的信息 當(dāng)入射光的波長為 1550nm 時 散射 回來的布里淵信號的頻率約為 11GHz 這對濾波器的要求較高 而且由于返回的 萬方數(shù)據(jù) 1 緒 論 5 布里淵信號本身就非常微弱 濾波器的插入損耗等因素會進一步影響測量的精度 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的自發(fā)布里淵信號的頻率相近 這樣跟散射回來的 布里淵信號經(jīng)過探測器拍頻后可用窄帶相干接收機直接接收 實現(xiàn)低頻相干檢測 同時便于后續(xù)的信號處理 1993 年日本電話電報公司的 T Kurashima 等人利用 BOTDR 系統(tǒng) 采用相干 檢測的方式 在 11 57km 的范圍內(nèi)實現(xiàn)了溫度和應(yīng)變的同時監(jiān)測 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)測范 圍達 80km 中國電子科技集團 41 所的產(chǎn)品 AV6419 實現(xiàn)監(jiān)測范圍 80km 應(yīng)變檢 測空間分辨率達 1m 18 BOTDR 技術(shù)對單一分布參數(shù)的測量具有很好的空間分辨率和測量精度 同時 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也較為簡單 由于布里淵信號頻移較小 線寬窄 這就對泵浦光源的 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 本文主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新點 1 4 1 本文主要研究內(nèi)容 基于 BOTDR 的分布式傳感技術(shù)在溫度 應(yīng)變的測量方面具有高精度 大動態(tài) 范圍 高空間分辨率等優(yōu)勢 一經(jīng)問世便得到廣泛關(guān)注和研究 成為全分布式光 纖傳感器研究的熱點領(lǐng)域 該技術(shù)在理論以及實驗方面均已取得了突破性成果 但是仍然存在許多問題需要進一步研究 本課題以布里淵散射為背景 汲取了國內(nèi)外諸多相關(guān)課題組的研究成果 對 基于 BOTDR 的分布式傳感器中的關(guān)鍵技術(shù)做了較多研究 并且在理論及實驗方面 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 對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作詳細分析 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)生機理 介紹布里淵光譜的兩個重要參數(shù) 中心頻率和功率以及它們的數(shù)學(xué)表達式 分析 布里淵光的中心頻率和光強受溫度和應(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)信號檢測方面的兩種主要方式 直接 檢測法和相干拍頻檢測法 其中相干拍頻檢測又主要包括 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) 對基于 BOTDR 分布式系統(tǒng) 的重要性能參數(shù) 信噪比 動態(tài)范圍 空間分辨率 溫度應(yīng)變測量精度各自的定 義以及影響因素作詳細介紹 為后面實驗優(yōu)化上述性能指標做準備 第四章介紹本實驗搭建的基于 BOTDR 的分布式傳感系統(tǒng) 闡述基于該系統(tǒng)來 實現(xiàn)對溫度和應(yīng)變監(jiān)測的原理 介紹系統(tǒng)中各核心器件的選用或搭建 種子光源 的選用標準以及自行搭建的兩臺布里淵激光器 通過對比激光器的 SBS 閾值 帶 寬 自由頻譜寬 頻率穩(wěn)定性等參數(shù) 確定本實驗選用的激光器 介紹聲光調(diào)制 器 AOM 的工作原理 通過實驗分析調(diào)制脈沖對傳感光纖中自發(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 通過實驗對放大 器的放大性能進行測試 第五章采用 10km長的傳感光纖 首先進行脈沖調(diào)制實驗 選擇合適的脈寬和 幅值 使系統(tǒng)的動態(tài)范圍 空間分辨率以及測量精度都得以兼顧 采用脈寬為 300ns 幅值為 380mV 的調(diào)制脈沖 進行溫度傳感實驗 測得不同溫度下布里淵信號的頻 移情況 得出布里淵頻移與溫度的定量關(guān)系 同樣 對于應(yīng)力傳感實驗 經(jīng)試驗 選擇脈寬為 100ns 幅值為 600mV 的調(diào)制脈沖 對 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 對采集到的時域信息進行處 理 通過累加平均去噪的方式提高信號的信噪比 選擇高斯窗函數(shù)分段多次截取 采集到的時域上的信息 進行短時傅立葉變換 將得到的頻域上的信息點進行擬 合 得出傳感光纖各處的布里淵頻率 實驗發(fā)現(xiàn)通過增大高斯窗函數(shù)的長度 可 以大大提高系統(tǒng)的空間分辨率 第六章對全文工作進行總結(jié) 并對該課題的進一步工作和研究方向進行展望 1 4 2 本文創(chuàng)新點 在脈沖調(diào)制實驗中 發(fā)現(xiàn)增大調(diào)制脈沖的幅值和脈寬 均會造成傳感光纖 中散射信號出現(xiàn)非線性效應(yīng)和自發(fā)布里淵信號功率的增強 但是兩者的側(cè)重點不 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 信號的功率 由此可以選擇合適的調(diào)制脈沖參數(shù) 來控制散射信號的非線性效應(yīng) 萬方數(shù)據(jù) 1 緒 論 7 控制布里淵信號的信噪比 從而優(yōu)化系統(tǒng)性能 通過算法優(yōu)化 在對采集到的信號進行時頻轉(zhuǎn)化時 增加每次參與短時傅 里葉變換的點數(shù) 可以實現(xiàn)對系統(tǒng)的空間分辨率理論值數(shù)十倍以上的提升 萬方數(shù)據(jù) 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 8 萬方數(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 并不是百分之百完全向前傳輸?shù)?其中一部分光會向其他 方向發(fā)生散射現(xiàn)象 從微觀量子理論上來看 是因為光在傳播過程中 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 碰撞的過程遵循 動量能量守恒定律 碰撞的結(jié)果使一部分本來向前運動的光子方向發(fā)生偏離 有 一部分向后運動 形成了散射光 從宏觀上來講 由于光纖介質(zhì)的顆粒狀結(jié)構(gòu) 光纖拉制過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)布里淵散射時光纖的光學(xué)特性未發(fā)生改變 這時斯托克斯分量和反斯托克 斯分量的功率相等 當(dāng)入射光的功率超過布里淵散射的閾值時 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 時時刻刻進行不停的熱運動引起的彈 力學(xué)振動 在光纖中形成自發(fā)的聲波場 24 25 該聲波場使光纖介質(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 同時這種聲波場可以被看 作是一個沿光纖運動的折射率光柵 當(dāng)入射光作用在該光柵上發(fā)生衍射時 會產(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動方向相同時 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動方向相反時 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 產(chǎn) 生一個新的頻率較低的斯托克斯光子和一個新的聲子 而這個新的聲子也可以同 其它的光子結(jié)合 產(chǎn)生一個頻率較高的反斯托克斯光子 26 由于一個光子釋放一 個新的聲子和另一個光子吸收這個新的聲子是一一對應(yīng)的 因此在自發(fā)布里淵散 射過程中 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 介質(zhì)的材料屬性相關(guān) 其計算公式為 萬方數(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 就普通的石英光纖而言 其折射率 n 1 44 VA約為 5900m s 當(dāng)入射光的波長為 1550nm 時 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 入射光波長等因素決定 對于普通的石英光纖 當(dāng)入射光 波長為 1550nm 時 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小于布里淵的譜寬 B時得到的數(shù)據(jù) 布里淵增益系數(shù)會隨 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 是入射光引起的強聲波場 同入射光相互作用的結(jié)果 入射光進入光纖后 在傳輸?shù)倪^程中會產(chǎn)生向后傳播 的布里淵散射光 其光強會隨著入射光功率的增加而增強 當(dāng)后向傳播的布里淵 散射光增強到一定程度時 會同入射光發(fā)生干涉形成強干涉條紋 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 從而在光纖內(nèi)部產(chǎn)生一個沿光纖以聲速 VA運動的聲波場 同時該聲波 場也可以看作是一個折射率光柵 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 光再同聲波場進一步作用產(chǎn)生的布里淵散射又加強了后向散射的布里淵光 布里 淵光加強 由它同入射光產(chǎn)生的聲波場又被進一步加強 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 量子角度來分析 產(chǎn)生一個斯托克斯光子的同時還會產(chǎn)生一個聲子 產(chǎn)生的聲子 會進一步加強聲波場 加強的聲波場又會進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)入射光達到某一閾值時 受 激現(xiàn)象才會產(chǎn)生 受激布里淵散射的閾值可以從兩方面來定義 一是當(dāng)斯托克斯 光的增益大于損耗時的入射光的功率 二是當(dāng)斯托克斯光的功率開始迅速增加或 傳輸光的功率開始出現(xiàn)飽和時入射光的功率 無論以哪種方式定義 受激布里淵 散射的閾值均受傳輸光纖的材料 光纖的有效長度等因素的影響 對某一固定光 萬方數(shù)據(jù) 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 12 纖 SBS 閾值會隨著光纖長度的增加而減小直到趨于一個固定值 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度受光纖材料聲速的影響 而光纖中聲波場的速度 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 光 纖材料中聲波場的速度發(fā)生改變 進而影響到布里淵散射光的頻率和強度 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動速度 即聲波場的 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 于普通的石英光纖來講 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 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為聲波場的速度 c 為光速 其中聲波場的速度可表示為 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 在無應(yīng)變的情況下 將上述四參量 E T k T T n T 按泰勒級數(shù)展開 并忽略一階以上級數(shù)得 2 7 式中 T0為參考溫度 取為 293K T 是溫度相對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 并做二項式展開 取 T 的一次項可得 2 8 其中 萬方數(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 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 對于普通的單模石英光纖 當(dāng)入射光的波長為 1550nm時 布里淵光的頻移量約為 10 8GHz 由式 2 9 可以進一步得出 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 處進行泰勒級數(shù)展開 忽略一階以上高 次項得 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)入射光波長為 1550nm 時 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 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 布里淵光強同溫度和應(yīng)變的關(guān)系 溫度和應(yīng)變在對布里淵頻移產(chǎn)生作用的同時 對布里淵散射光的光強也會產(chǎn) 生影響 在Rayligh散射光光強公式的基礎(chǔ)上 可以類似推出布里淵光強的表達式 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 會受到溫度和應(yīng)變的 影響而變化 可以分別表示為 2 14 萬方數(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 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 光纖中聲波場的傳輸速度 VA 溫度的變化會引起參數(shù) T 光纖折射率 n 聲波場速度 VA變化 在外界應(yīng)力 0 的條件下 通過計算 PB T PB 0 TPB 0 可以得出布里淵光強隨溫度變化的系 數(shù) 應(yīng)力的變化會引起光纖折射率 n 聲波場速度 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 通過計算 PB PB 0 PB 0 可以得出布里 淵光強隨應(yīng)變變化的系數(shù) 根據(jù)文獻中的實驗結(jié)果 當(dāng)入射光波長為 1550nm 時 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 而布里淵散射光的中心頻率同時受溫度和應(yīng)變的影響 基于此可以采用雙 參量矩陣法 實現(xiàn)系統(tǒng)對溫度和應(yīng)變的同時測量 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理并闡明了兩者的異同點 研究了自發(fā)布里 淵散射中布里淵光譜的頻移和光強同外界溫度和應(yīng)變之間的關(guān)系表達式 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 分析實驗 數(shù)據(jù)起指導(dǎo)和驗證作用 萬方數(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) 基于布里淵光時域分析 Brillouin Optical Time Domain Analysis BO