BOTDR系統(tǒng)中的SBS效應及其傳感應用研究

1、華北電力大學（保定）碩士學位論文BOTDR系統(tǒng)中的SBS效應及其傳感應用研究姓名：李旭東申請學位級別：碩士專業(yè)：通信與信息系統(tǒng)指導教師：李永倩20071228摘要深入研究了光纖巾的受激布罩淵散射（）效應，揭示了系統(tǒng)中的效應的產生機理。指出當電光調制器（）的消光比有限時，漏光將通過效應對入射脈沖光產生的自發(fā)布里淵散射進行放大，使時域波形明顯區(qū)別于一般波形；當消光比過低時，效應迅速增強，泵浦迅速耗盡，系統(tǒng)無法正常工作。推導了信號功率的表達式；在不同消光比下，對系統(tǒng)的時域波形進行了數值仿真，結果與前期實驗相吻合。分析了光纖布里淵散射的頻移和強度與溫度、應變的關系，分別對溫度和應變傳感信號的頻域和時域

2、波形進行了數值仿真。最后，探討了信號用于傳感對系統(tǒng)信噪比、動態(tài)范圍、測量精度等指標的改善。關鍵詞：光纖傳感，布里淵光時域反射計，受激布里淵散射效應，電光調制器，消光比（）玎，舶既（），砸曲鋤矗潞觚吐曲虢，【矗訊肌，鋤枷，（）：，摘要深入研究了光纖巾的受激布罩淵散射（）效應，揭示了系統(tǒng)中的效應的產生機理。指出當電光調制器（）的消光比有限時，漏光將通過效應對入射脈沖光產生的自發(fā)布里淵散射進行放大，使時域波形明顯區(qū)別于一般波形；當消光比過低時，效應迅速增強，泵浦迅速耗盡，系統(tǒng)無法正常工作。推導了信號功率的表達式；在不同消光比下，對系統(tǒng)的時域波形進行了數值仿真，結果與前期實驗相吻合。分析了光纖布里淵散

3、射的頻移和強度與溫度、應變的關系，分別對溫度和應變傳感信號的頻域和時域波形進行了數值仿真。最后，探討了信號用于傳感對系統(tǒng)信噪比、動態(tài)范圍、測量精度等指標的改善。關鍵詞：光纖傳感，布里淵光時域反射計，受激布里淵散射效應，電光調制器，消光比（）玎，舶既（），砸曲鋤矗潞觚吐曲虢，【行肌，鋤印枷，（）：，聲尸明本人鄭重聲明：此處所提交的碩士學位論文系統(tǒng)中的效應及其傳感應用研究，是本人在華北電力大學攻讀碩士學位期間，在導師指導下進行的研究工作和取得的研究成果。據本人所知，除了文中特別加以標注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得華北電力大學或其他教育機構的學位或證書而

4、使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。學位論文作者簽名：壅堡壘日期：砌羅關于學位論文使用授權的說明本人完全了解華北電力大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即：學校有權保管、并向有關部門送交學位論文的原件與復印件；學校可以采用影印、縮印或其它復制手段復制并保存學位論文；學?？稍试S學位論文被查閱或借閱；學?？梢詫W術交流為目的，復制贈送和交換學位論文；同意學?？梢杂貌煌绞皆诓煌襟w上發(fā)表、傳播學位論文的全部或部分內容。（涉密的學位論文在解密后遵守此規(guī)定）作者簽名：蕉叢壘日期：絲曼：；：！導師簽名：，匕乜人乏！淪文引言第一章緒論隨著現(xiàn)代：、民用工

5、程、空日技術、芻！事等領域自動化和智能化的發(fā)展，在許多科研和：程應用中迫切需要測量溫度、應變信息的分白情況，例如長距離輸油管道、通信光纜、電力電纜、蒸汽管道、大壩、隧道等。分命型光纖傳感器具備提取大范圍測量場分布信息的能力，可以解決測量領域的諸多難題。其中，分稚型光纖溫度傳感器可用于如大型電力變壓器、高壓電力網、高層建筑等的溫度分布測量和監(jiān)控；分布型光纖應變傳感器在多層建筑、橋梁、水壩、飛行器、壓力容器等重大結構與設備的形變監(jiān)測方面具有廣闊的應用前景。近年來，分白型光纖傳感技術在復合材料中的應用，丌辟了智能化材料新領域弛?；诎渍譁Y散射的分御型光纖傳感技術是目自國際上最重要和最有途的一種新型測

6、量技術。¨，也是國際上傳感器研究最活躍的熱點課題之一。該技術在溫度、應變測量所能達到的精度、傳感距離及空問分辨率等均高于基于瑞利、拉曼散射的分布型光纖傳感方式，并且能實現(xiàn)對溫度和應變的同時傳感。利用該傳感技術可對被測場的溫度或應變情況進行在線監(jiān)測，從而實現(xiàn)故障隱患及故障點的快速、準確定位。因此，研究和丌發(fā)布罩淵分布型傳感器，不僅有很高的學術價值，而且具有廣闊的市場應用前景。布里淵分布型傳感技術研究現(xiàn)狀布罩淵分句型光纖傳感技術具有廣闊的應用前景，國內外對該技術及其應用研究方興未艾。自年首次提出以來，眾多研究人員展丌了對關于布罩淵散射的分布型光纖傳感系統(tǒng)的研究，并取得了突破性進展。目前，

7、基于和罩淵分布型傳感技術研究較多的方案可分為三類：（）基于布罩淵光時域反射（）的分和型光纖傳感技術；（）基于布罩淵光時域分析（）的分布型光纖傳感技術；（）基于命甲淵光頻域分析（）的光纖傳感技術盯?；诘墓饫w傳感技術皋二（），）的分布型光纖傳感系統(tǒng)類似光時域反射計（），基本框圖如圖卜所÷。華北匕人貝寸論文圖卜基于的分布型光纖傳感系統(tǒng)基本框圖在中，當脈沖光在光纖中傳輸時，在發(fā)送端就可以檢測到由瑞利散射產生的背向散射光，背向散射光提供對光纖衰減及位置信息的測量。在中，背向的自發(fā)布罩淵散射代替了瑞利散射，由于布罩淵散射受溫度和應變的影響，因此通過測量布罩淵散射便可以得到溫度或應變信息

8、8;¨引¨”¨。傳感系統(tǒng)的優(yōu)點是只需要單端測量，實際使用比較方便?；诘墓饫w傳感技術傳感系統(tǒng)最初是等人作為一種非破壞性的光纖損耗測量技術而提出的嫡，隨后便得到迅速發(fā)展。技術采用了布罩淵放大效應，基于該技術的傳感器典型結構如圖卜所示。圖卜基于的分布型光纖傳感系統(tǒng)基本框圖處于光纖兩端的叮調諧激光器分別將一脈沖光（泵浦光）與一連續(xù)光（探測光）注入傳感光纖，當泵浦光與探測光的頻差與光纖中某區(qū)域的布罩淵頻移相等時，在該區(qū)域就會產塵命甲淵放大效應（受激命罩淵散射），兩光束相互之發(fā)化能量轉移。出于枷罩淵頻移溫度、應變存在線性關系，岡此，對兩激光器的頻率進行連續(xù)涮節(jié)的司時，通過榆

9、測從光纖一端耦合小求的連續(xù)光的功率，就町確定光纖各小段蔓域：能量轉移達到最大時所對應的頻率籠，從實現(xiàn)溫度、應變信息的分布型測疑。（）系統(tǒng)的！并特點是動態(tài)范圍人，測蔗精度舟。系統(tǒng)較復雜，泵浦激光此，入：碩：學論文器和探測激光器必須放：被測光纖的曲端，給實防：夠川惜術定的困難；其次，（），、）系統(tǒng)能測斷點，舀：；嬰測斷的應用中受劍限制。“。阢。等人對（）系統(tǒng)的研究，實現(xiàn)了長度為，箍矗度精度為，空分辨率為米的測最。¨。使川小：的短脈沖塒幣模光纖布罩淵譜特性研究中，發(fā)現(xiàn)布早淵信號的強度泉浦脈沖的寬度線性相關，肖脈沖寬度從減小至時，靠單淵譜寬逐漸達到最大，約為；脈沖寬度繼續(xù)減小時和罩淵譜寬卻急

10、劇變窄¨“。等對利用脈寬小于聲子壽命的探測脈沖時高分辨率布罩淵分布型光纖傳感中的瞬態(tài)響應進行了研究，初步揭示了此過程的機理。出于傳感系統(tǒng)中電光調制器（）的消光比（）有限，導致布旱淵頻移測量的混亂狀態(tài)，使得在光纖真實溫度測量及定位時出現(xiàn)差錯¨引，不能實現(xiàn)精確測溫和定位，限制了傳感技術的發(fā)展和應用。等人利用直流和短脈沖（約）的激光作為布罩淵光纖傳感系統(tǒng)中的探測光束，提出了一種可同時達到高頻率分辨率和高空間分辨率（厘米級）的布早淵譜分析方法啦¨，向罩淵譜可由底部為代表脈沖與直流光作用的高斯型、頂部為代表直流與直流光作用的洛侖茲型的雙重結構表示讓引。另外，信號對頻率和位置

11、的二階偏導數可以用來區(qū)分光纖中兩個不同應變區(qū)域的邊界，進而可用于更精確地定位光纖中的應變區(qū)域，定位精度達，布罩淵頻移測量分辨率約為?；诘墓饫w傳感技術不同于定位方法，是基于測量光纖的傳輸函數實現(xiàn)對測量點定位的一種傳感方法。這個傳輸函數把探測光和經過光纖傳輸的泵浦光的復振幅與光纖的幾何長度相互關聯(lián)起來，通過計算光纖的沖擊響應函數確定沿光纖的應變和溫度信息。傳感系統(tǒng)原理框圖如圖所示。圖卜梁：（）？的分布犁光纖傳感系統(tǒng)缺本框圖華北也力人學碩：？一論艾束窄線寬連續(xù)泉；光從端入射進單橫光鄉(xiāng)，束窄線寬連續(xù)探測光從光纖的另端入射。探測光的頻二鉦被凋節(jié)到比泵；光頻二笨低，兒兩肯頻率羞近似等于光纖的布罩淵頻移。

12、探洲比個頻率廠卅可變的：弦信號進行幅度調制，對每個確定的信號頻率值，光乜探測器分別檢測探測光嗣象浦光的光強，光電探測器的輸信號輸入到網絡分析儀，山網絡分析儀計算：光纖的基帶傳輸函數。網絡分析儀輸出信號經模數轉換后進行快速傅立葉反變換，其輸出信號（）中即包含了沿光纖軸向的溫度或應變分布信息。對傳感技術研究較多的主要有德國的等人，但由于系統(tǒng)復雜，且對被測光纖所處環(huán)境要求高，所以對（）？的研究相對比較少。本文的主要研究內容在傳感系統(tǒng)中，因為用于脈沖調制的電光調制器（或聲光調制器）的消光比有限，在系統(tǒng)中將存在泄漏的連續(xù)光，該泄漏光必然會參與到系統(tǒng)中的布罩淵散射過程中去，并對系統(tǒng)性能產生影響；泄漏光與脈

13、沖光產生的自發(fā)布罩淵散射的相吒作用是一種效應，由于命罩淵強度和頻移都是溫度和應變的函數，因此有可能利用系統(tǒng)中的信號進行溫度和應變的傳感，特別是，與自發(fā)布罩淵散射信號相比，信號的信噪比高，可獲得更高的測鼙指標，因此，可以提高系統(tǒng)的測量精度和空問分辨率，對探討提高自發(fā)布里淵散射分布型光纖傳感系統(tǒng)性能的新方法、新途徑具有相當大的參考價值，值得深入研究。本文主要研究）系統(tǒng)中效應的產牛機理，并對效應的傳感應用進釘：探討。在深入研究和單淵散射分布型光纖傳感原理的基礎上，主要在以下幾個方面進行深入的研究。）研究布罩淵分御型光纖傳感技術的原理、特點以及發(fā)展概況。）研究布旱淵散射的基本原理，解明系統(tǒng)中效應的產生

14、機理及其對系統(tǒng)性能的影響，并進行數值仿真。，）理論分析光纖的布罩淵散射特性，包括鈿牡淵的頻移和強度與溫度、應變的關系，對光纖溫度或心變變化時的頻域和時域波形進行數值仿真。）探討，）系統(tǒng)效應的傳感應。根捌課題的研究進度和實驗條件，充成搭建傳感系統(tǒng)的部分實驗：作。第二章光纖布里淵分布型傳感原理光纖如罩淵散射理論是向罩淵敞射分巾型光纖傳感技術的壁礎。本文主要研究基的分布型光纖傳感系統(tǒng)，所以本章中將對光纖句旱淵散射效應原理，特別是對受激布里淵散射（）效應有關原理和實驗進行詳細地介紹，并介紹系統(tǒng)的傳感原理。光纖散射光散射星光在介質中傳播過程時發(fā)生的一種普遍現(xiàn)象，是光與物質相互作用的一種表現(xiàn)形式“。從量子

15、理論的觀點來看，光散射是由光子與微觀粒子發(fā)生碰撞所引起的。碰撞的結果使入射光子散射成為個能量或方向與入射光于不同的敞射光子，相應在微觀粒子的能量和動量都發(fā)生變化，并遵循能量守恒和動量守恒定律。在散射過程中，散射光圖光敞射示意圖在強度、方向、偏振態(tài)乃至頻譜上都有可能與入射光有所不同，如幽所示。光波在光纖中的傳播過程葉產生的散射主要有三種：瑞利散射、柿里淵散射和拉曼散射，這三種散射光信號的頻譜分布如圖所示：強度圖光纖中的光散射及頻譜分粕）瑞利散射：瑞利散射是入射光與介質中的微觀粒了發(fā)生彈性碰撞所引起的，散射光的頻率與入射光的頻率相同，是光纖強度罐高的散射光成分。）布掣淵敞射：如艱淵散射是光纖中的光

16、學光子干聲學聲子發(fā)生仆彈性碰撞而產小的，強度比瑞利散刺小，在波長巾單淵頻移約為¨。）拉曼散射：拉曼敞射是光纖葉的光學光了和光學聲予發(fā)，非彈性枷攛而產生的，強度比如啦淵救舅小個數量級。華北電力大學碩十學位論文在圖所示光纖背向散射頻譜分布圖中，激發(fā)線（）兩側的頻潛是成對出現(xiàn)的，在低頻側頻率為一（為散射譜線與¨的頻差）的散射光為斯托克斯光（）；在高頻側頻率為“的散射光為反斯托克斯光（），卸里淵散射和拉曼散射同時包括和。在自發(fā)布早淵散射情況下斯托克斯光和反斯托克斯光的強度相當。布里淵散射光波與聲波在光纖中傳播時相互作用而產生布里淵散射的過程，在不同的條件下，分別以自發(fā)散射和受激散射

17、兩種形式表現(xiàn)出來“”“，下面分別對自發(fā)布里淵散射（）和受激布里淵散射（）進行介紹。自發(fā)布里淵散射自發(fā)布里淵散射過程如圖所示，為簡單起見，僅給出了散射過程。泵浦光敞射光冊聲波圖自發(fā)布里淵散射過程示意圖可從力學和量子物理學兩個方面介紹自發(fā)卻里淵散射過程。）根據力學上的經典理論：在入射光功率不高的情況下，光纖材料分子的布朗運動將產生聲學噪聲，當這種聲學噪聲在光纖中傳播時，其壓力差將引起光纖材料折射率的變化，從而對傳輸光產生自發(fā)散射作用。同時聲波在材料中的傳播將使壓力差及折射率變化呈周期性，周期性結構運動導致散射光頻率相對于傳輸光有一個多普勒頻移，這種散射稱為自發(fā)卻里淵散射。）根據量子物理學理論：一個

18、泵浦光子轉換成一個新的頻率較低的光子并同時產生一個新的聲子；同樣地，一個泵浦光予吸收一個聲子的能量轉換成一個新的頻率較高的光子。因此在自芨布早淵散射光譜中，同時存在能量相當的斯托克斯和反斯托克斯兩條譜線，其相對于入射光的頻移大小與光纖材料聲子的特性有直接關系。華匕電力人學碩十學位論文受激布里淵散射原理節(jié)所講的自發(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生的一種非線性自發(fā)光散射過程。由于構成光纖的硅材料是一種電致伸縮材料，當大功率的泵浦光在光纖中傳播時，其折射率會增加，產生電致伸縮效應，從而導致大部分傳輸光被轉化為反向傳輸的散射光，產生另外一種布里淵散射過程，即受激布里淵散射。蚺”

19、，一泵浦光潞凳、，惹，蠲敷翹鏨，蠢一、禽禽忑二相互作川與電致伸縮效應圖受激布旱淵散射過程示意圖光與泵浦光的相互作州聲波受激布里淵散射是光纖中一種重要的受撇非彈性散射，散射過程顯示了很強的受激特性：散射的強度高和方向性強。而且，還顯示出散射與分子等體系中特殊的激發(fā)有關的特殊性質。物質激發(fā)對應于介質中的聲波激發(fā)，這種聲波激發(fā)與介質中的密度變化直接有關，它起因于介質中的電致伸縮或吸收效應”。所謂電致伸縮效應，是指介質在外電場存在時，山于能量變化，使得有電場的區(qū)域受到壓縮，導致密度增大，而密度的增火又會引起介電常數的故變。介質中運動聲波的存在最終導致有頻移的的產生。山十螋介質具有很商的增益系數，因此在

20、實騎巾易。抉得強的向輸出。泵浦光存光纖中傳播時，其自發(fā)布單淵敞射沿泉浦光，匕【！人。碩。？似論文卡反的力。向傳播，當泵浦光的曲！曼增人時，發(fā)衙川！淵敝射的強度增，增人到定樣瞍時，反向傳輸的（）光乖¨泵浦光將發(fā)小涉作川，產，較強的十涉條紋，使比纖局部折射率人人增。這十羊于乜致絎效近就會產生個聲波，聲波的妞乍將激發(fā)出更多的幣哩淵敞射光，同時，激發(fā)水的敞射光又使聲波加強，如此十作用，產生很強的。棚塒于光波而毒，波的能量町以忽略，因此在考慮聲波的情況下，過程丌以概括為頻率高的象浦光的能量向頻率低的光轉移的過程。這樣，受激布甲淵散射可以看成是伍儀彳泵浦光存在的情況下在電致僻縮材料中傳播的光經歷

21、了一個光增益的過程硭引。在受激布罩淵散射中，雖然理論上反斯托克斯和斯托克斯光都存在，一般情兌卜只表現(xiàn)為斯托克斯光。樣，在量子力學中，這個散射過程可看成是個泵浦光子的湮滅，同時產生了個光子和一個聲頻聲子。由于在散射過程中能量和動量必須守恒，則三個波之間的頻率和波矢有以下關系；。，（）式中，和分別為泵浦光和光的頻率，和，是泵浦光和光的波欠，聲波頻率和波矢。滿足色散關系，矗，。一知。（）（）式巾，口為泵浦光與光之的央角，并且利用了，的關系。式（）表明，光的頻移與散射角有關，更準確地說，在后向（石）有最大值，往日，向（口）為零。在單模光纖中，只有后向為相關方向，因此，僅發(fā)生：后向，且后向布罩淵頻移為心

22、，口一萬一，。（）式（）中，利用了馴，以為在泵浦波處的折射率。若取二，行，則對于石英光纖，在。附近，。盡管式（）預測布肇淵散射僅在后向發(fā)生，稚：光纖中自發(fā)布罩淵散射在前向也能產生，這是由于聲波的波導特性削弱了波欠選擇規(guī)則，結果前向產生了少量的【）光，這一現(xiàn)象稱為傳導聲波佰罩淵散射。實際上，頻譜在（）頻移范圍內表現(xiàn)為多黿線，由于它非常弱，特別的是，它不攜帶分布犁傳感需的位置信息，本文再進步討論。閾值闌值特性是的。霞要特性之一，即仃肖入射激光強度超過一定的激勵閩值所，。會發(fā)生。的閩值泉浦功率是指輸的斯托兜斯光功率！孑泉浦光功率卡等的輸入端泵浦光功率，此可得到發(fā)乍和：臨界泉浦功率，處的命咀淵閩值計華

23、匕力人碩卜節(jié)節(jié)論文解公式為弘薏仃（），廖為撕州！淵增益峰值，爿啊為仃效纖芯截面秘，夠赴光纖的彳效作用長度，其計算公式為啊【一（一吐）】口（）式中，是光纖長度，口是光纖衰減系數。若波長，利用典型光纖的參數值：彳夠。！，啊，口叫，則由式（）預測其臨界泵浦功率只，約為。由于受激布罩淵閾值如此之低，因而使成為光纖中主要的非線性過程。式（）預測的閾值只是一個近似值，而在實際中，很多因素會造成有效靠罩淵增益降低。例如，當泵浦光完全無規(guī)偏振時，閡值增大；光纖摻雜濃度的徑向變化會導致該方向上聲速的微小變化，結果使閩值在一定程度上與制造光纖時光纖摻雜濃度的變化有關，光纖沿縱向的菲均勻性也會影響光纖中的有效缸罩淵

24、增益。在基于自發(fā)命罩淵散射的分布型光纖傳感系統(tǒng)中，主要是利用自發(fā)布里淵散射柬實現(xiàn)傳感。為了提高測量系統(tǒng)的信噪比，往往希望在不發(fā)生受激布旱淵散射的情況下在傳感光纖中注入盡可能大的泵浦光功率，以得到盡可能強的自發(fā)布罩淵散射信號。對于不同的光纖，受激布罩淵散射閾值是不同的，因此，有必要對傳感光纖的受激布罩淵散射閾值進行研究，以便確定系統(tǒng)適當的入纖功率。根據背向散射光丌始迅速增加或者傳輸光丌始出現(xiàn)飽和時的入射光功率可作為閾值的定義。特別說明的是，利用上述對閾值的定義柬劃分傳感光纖自發(fā)和受激白罩淵散射過程具有很大的誤差，因為在自發(fā)布罩淵散射過程中，嚴格地說，斯托克斯和反斯托克斯光的強度應該是相當的，在注

25、入光功率約為時，就已經出現(xiàn)了斯托克斯光強度遠大于反斯托克斯光強度的現(xiàn)象，這說明光纖中已經發(fā)生了受激布罩淵散射過程。因仳，利用上述給出的在通信中適用的受激布罩淵散射閾值的定義柬確定傳感光纖的入纖功率不是一分恰當，需要根據實際系統(tǒng)具體參數山實驗進步加以確定，以保證傳感系統(tǒng)測最同時具備準確阽和有效性。閾值的測量傳統(tǒng)的測鑲：閩值的方法足采用對光纖的傳輸光和鄧散射光的測量來確定其火小，得到傳輸光功率、辛外激射光功率入射光功率之的關系。受激以艱淵敞射閩值測量系統(tǒng)如圖所示。激光器選用公¨一一（）人，波變、，導體激光器，連續(xù)光輸助牢約為。淵衰減器的衰減范為：；。光功牢計選用武漢奧林特光乜設備彳限公；

26、）：，鉭光助二年汁，功率測髓范川為一（）十。首先將，淵衰減器的衰減凋劍最人，然后打：激光器，通過叮淵輊減器和耦合器將一連續(xù)供汴入劍光纖，用光功率計：位臀處測量光纖的傳輸光助二簪、位置處測量入射光功牢、位置處測量散射光功率。通過可調衰減器調節(jié)汴入劍光纖中的光功率，實現(xiàn)受激行單淵散射閡值的測量。光纖墨橫蠢泉鐸迎圖閾值測量系統(tǒng)框圖入射光功率以圖傳輸光、背向散射光與入射光功率之日的關系碟哥藩澀法娶坍專采對匕纖的傳輸光和亨陽散射光進行測醚的方法叮以確定閩值的人小。選川（；光纖作為被測光鄉(xiāng)，繪出傳輸光功率、早子向散射光功率入射光功棼之的火系曲線，如圖所玎：。圖可見，隨著入射光的增加傳輸光功牢迅速變火，地：

27、與入射光功率超過后，傳輸光觀了飽和的趨勢。背向散射光隨著入射光的增緩慢增，似入射光功率附近時，背旬散射光功率丌女厶迅速增加。袱捌散射光：始迅速增或者傳輸光：始：現(xiàn)飽和時的入射光功率即為受激和！淵敞射閡值的定義，可以得劍（；光纖的閩值約為。使十的廳法測得大有效面積光纖（；的閾值約為。類型光纖中的效應依傳統(tǒng)理論可分為兩種類型。州：）如果只有泵浦光注入光纖，那么光將在光纖中通過熱激發(fā)噪聲波引發(fā)的自發(fā)鄰罩淵散射而產生，并被不斷放大，當泵浦光超過閾值時，就形成，可以把這種情況叫作噪聲起振，即所謂的發(fā)生器情形。）如果在泵浦光作用的同時，還持續(xù)作用著一束與泵浦光反向的光，這種情形可叫作種子光輔助起振，即所謂

28、的放大器情形。傳統(tǒng)的分類忽略了泵浦光與其反射光的相互作用。實際上，當高功率泵浦激光入射到光纖時，反射光是不可避免的，并且沿泵浦光的光路反向傳播，按照傅罩葉分析，反射光罩必包含著具有種子光頻率的振蕩成分，這些成分和泵浦光相互作用，形成一種特殊的振蕩過程，可稱之為自供種子光模型過程。，下面通過耦合波方程組對過程進行簡要的說明。效應可以用一個含時的三維非線性偏微分方程組來描述。州，但就目前理論的發(fā)展水平而言，直接對其進行解析求解是不可能的，所以人們發(fā)展了各種不同的近似方法和數值計算方法。根據泵浦脈沖寬度與聲子壽命的大小關系相比較，又可分為以下兩種。州：）瞬念的耦合波方程組由于光纖中的聲子壽命為

29、67;，一般當泵浦脈沖寬度為幾十納秒或更小時，即聲子壽命與泵浦脈沖寬度具有相當的數量級，則不能忽略光場振幅的時間變化，應該將光纖中的布罩淵散射過程作為瞬態(tài)過程來處理。這種情況下描述光纖中效應的理論稱為瞬念理論。根據瞬態(tài)理論，泵浦場和場由麥克斯韋（）波動方程描述，光纖中的聲波場由納維一斯托兜斯（）能鞋傳輸方程給出，略去頻率為零及：倍頻光場項，認為它們對白取淵共振激發(fā)起作川，并利用慢變振幅。瞬態(tài)盼近似可表勻÷成由個含時力樣組成的禍合波辦利組，慫堆二沁“改進的；數學模型，即華北力人碩卜淪艾（）。式口、，和分別表示泵浦光、光、聲波場振幅；打表示聲子衰減系數，為聲子壽命；，和：代表過程的聲光禍

30、合系數；咒為光纖折射率；為真空光速；口為光纖衰減系數。式（）可采用有限差分方法編程進行數值求解?！?#168;，由于方程組的求解過程十分復雜，此處不再贅述。）穩(wěn)態(tài)的耦合波方程組當泵浦脈沖寬度比聲子壽命大很多時，比如泵浦脈寬達或更寬，過程隨時日變化不大，這樣可以近似認為泵浦場、場和聲子場的振幅是不隨時問變化的，這種情況稱為穩(wěn)態(tài)理論。在穩(wěn)念或緩變情況下略去時間導數和空間二階導數項，消去方程中聲波場變量，考慮到聲波頻率比光波頻率小很多，則有，因此，可將光場振幅的耦合波方程組改寫為魯一蒜三旌警一蒜一扛）其中盯彩七？擁風，鈕罩淵線寬；七，與聲子壽命的關系為。若采用光強，一門蚓！妨，可由式（）得到泵浦光，

31、和。光，的強度耦合方程冬咄一謝云一口?？ǎ┮痪虐破渲?，：；風。）為穩(wěn)念增益系數。式（）叮知，入射光強沿進力陽逐漸減弱，晰反斯托兜斯散射光則沿入射光前進的方向傳播而逐漸增強，這種增姒作用化比：入射光強。二本文：嬰研究脈沖寬度在（）以：的（），系統(tǒng)中的郫效粒，岡此町以利川穩(wěn)態(tài)胖淪，后義所述受激前卑淵散射均屬穩(wěn)念理論的范疇，不特別說明。本文在第一秘將詳細介放人器情形的效避原理。墟啦如軋一一艫艘啪以乳戶戶一盟硼盟巾一赴一把一砸分布型傳感系統(tǒng)原理測量原理捧（），的分命型傳感原胖如劃所示，要實現(xiàn)分自弘傳感力能需要對被測量點進行定移，并對散射光的強度或頻牢進行測量，下伯允介鄉(xiāng)“一下系統(tǒng)。圖基于的分布型傳感

32、原理散射點的定位脈沖光在傳輸的同時，不斷產：背向瑞利散射光，由時鐘電路計算入射光和接收到散射光的時問差，可實現(xiàn)散射點的定位。假設在時刻，脈沖光入射到光纖，經過時問，存發(fā)送端接收到散射光，則光傳播的距離為一（以）×（）其中，為真宅中的光速，為光纖的折射率。散射光沿與入射光相同的路線返，則散射點所處的化霄為刀（一）這樣便實現(xiàn)了散射點的定位。散射光功率的測量假設存理想情況下，光纖結構均勻且沒有受到外界調制作】，可以認為光纖的吸收損耗和散射損耗系數均為常數，此時光在光纖中的功率叮表示為（）一（）卜（，口。）】（）式，只（）為散射點的象浦光功率；（）為入射端的光脈功率；為散射點斟入射端的距離；

33、口，為散射擬牦系數；，為吸收損耗系數。此以得到散射點的一敝射光功率為織（），弓（）扣口，?。ǎ荆?，口。）即（一）式，為肯陽括捉系數。對：均勻的模光纖，背向捕捉系數為常數。所以在沒彳外凋制的情？兕卜散射光功率警指數規(guī)律、，汴卜降。然面，祚：實際光纖系統(tǒng)，由光纖結構的均勻或仔舀：熔接點、動連接器等，使散射強度曲線般如圖所示。散射強度距離圖基于的背向散射波形由圖可以看出，每段光纖都按指數規(guī)律平滑衰減，當遇到活動連接器或光纖始端、末端時會產生較大的端面反射，并產生損耗，遇到熔接點會產塵熔接損耗，使散射強度突然下降。散射頻率的測量布罩淵散射頻率與光纖的溫度和應變有關。如何獲得布罩淵散射信號的頻率信息是

34、傳感系統(tǒng)中非常重要的問題。目前布罩淵頻移的測量主要采用光域外差¨或電域外差方法，調整命罩淵散射信號中心頻率，或調整本振信號的頻率，以改變本振與散射信號的差頻信號的中心頻率，使不同頻率成份的信號依次通過帶通濾波器，得到一一系列的測試曲線，達到對整個信號譜進行掃描的效果。然后擬合沿光纖分布的每個點的測試結果，找到幅度最大點對應的頻率，則該頻率即為該點的卸旱淵頻移。傳感系統(tǒng)測量原理（）系統(tǒng)利光纖后向散射的門發(fā)確馳淵散射信號代替，的瑞利散射來實現(xiàn)測量。）通過測量得到光纖傳輸損耗和擇種結構缺陷引起的結構性損耗，并示損耗（散射）度的關系求測毓外界場分缸于光纖：的擾動信息。它利用光纖的背向前罩淵散

35、射頻率和強度對此鄉(xiāng)所受應變和溫度十分敏感，而彳丁較好的線性關系，對被測對象進行分布刑實時臨摔。于自發(fā)和罩淵散射光的靈敏忭，岡匕，人碩：。學侮論文它的測；建精度很高，粒叟的測砒精度達“數齡級：它；舷塒光纖進行加：，集乏輸傳感一：一體，測試貨川氏：它，需對光纖沿線返的如淵散射光信號進：處叫！叮，可實現(xiàn)距離分自掣測篷。測量方案訂，在基于的分自¨光纖溫度、應變傳感系統(tǒng)葉，依檢測方法的不同可分為良接檢測和外差檢測兩種方法，并具有不同的信噪比性能。（）直接檢測方案圖釜一直接檢測的佰暈淵傳感系統(tǒng)原理框圖基下自發(fā)布罩淵直接檢測原理框圖如圖所示。在該系統(tǒng)中，脈沖光通過定向耦合器入射到傳感光纖中，由，】

36、：背向散射光同時包含瑞利散射和布罩淵散射，而且瑞利散射比命罩淵散射大約，使得布罩淵散射完全淹沒在瑞利散射之中，并且包含很強的瑞利相干噪聲，所以在進行光電檢測前必須用光濾波器濾除瑞利散射光，再進行檢測處理。采用直接檢測，需要將微弱的夼罩淵散射從背向散射中分離出來后才能實現(xiàn)自發(fā)仃罩淵散射信號的測量。利刖法伽翟一珀羅干涉儀可實現(xiàn)布罩淵散射與瑞利散射的分離，但法命罩一珀羅干涉儀所，入的插入損耗較大，超過，給本來就很微弱的信號帶柬很大的衰減，對提五譬感精度、減小測量時間不利心心剛¨們。¨。為了克服這螋缺點，等人提的基于馬赫一曾德下涉儀檢測系統(tǒng)的靠罩淵分御犁湍度、應變傳感系統(tǒng)，嬰利川傘

37、光纖馬赫一曾德干涉儀的窄帶濾波特性來實現(xiàn)自！淵放射與瑞利散射的分離以及自罩淵散射信號頻率的檢測，從而實現(xiàn)布艱淵傳感。¨帥。（）外謦檢測方案占：發(fā)衙罩淵外籌榆測的；（）傳感系統(tǒng)原刪框圖如罔一所示。該力案，按檢測方案的主要區(qū)別辦：光源發(fā)出的光被定向耦合器分成兩部分，部分兒人碩一論文乜光調制器調制成脈沖光后入射劍化感光纖，另一部分作為奉振光，與散射光起入射到光包檢測器上進行外芹憐測。）（的簟頻分遙中他含瑞利散射噪聲，不必在檢測訂進：濾波¨¨¨¨。小結圖外差檢測布罩淵傳感系統(tǒng)原理框圖本章詳細論述了布罩淵散射的基本理論，著重介紹了光纖中效應的基本原理、閾

38、值、類型等，并測量了單模光纖閾值；討論了光纖中泵浦光場、斯托克斯場和聲子場相互耦合作用產生受激佰罩淵散射的機理和過程，給出了描述受激命罩淵散射的耦合方程，并分穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)情況作了較詳細的分析討論。簡要介紹了分布型傳感系統(tǒng)原理，傳感系統(tǒng)原理以及傳感方案等。此人學壩：論文第三章系統(tǒng)中的效應拍）。傳感系統(tǒng)，劃為州二脈沖凋制的光淵制器的消光比有限，在系統(tǒng)將存作泄漏的連續(xù)光，該泄漏光必然會參與到系統(tǒng)，的斫淵散射過程中去，；對系統(tǒng)性能拉塵影響。本章將詳細介紹系統(tǒng)中隅效應的產生機理，并通過對和囀淵信號時域波形的仿真末驗證系統(tǒng)中效應理論的幣確性。研究背景李永倩等人對基于全光纖馬赫一曾德干涉儀的自發(fā)御肇淵分布型光

39、纖傳感系統(tǒng)進行了深入研究引，傳感系統(tǒng)基本框圖如圖一所示。洲加熱光纖光柵瓢孑廚虬幽耦合器傳感光纖薪翻糯器：聲光調制器：摻餌光纖放人器：布啦淵信號：瑞利信號：艤通馬赫一曾德干涉儀：樂電陶瓷圓筒：光電檢測器：放人器圖基于馬赫一曾德干涉儀的溫度傳感系統(tǒng)框圖圖一所示的系統(tǒng)中，背向散射在不經過干涉儀分光前，信號幅度很大，其中主要是瑞利敝射和光纖端面反射，布罩淵散射信號完全被淹沒在背向散射中，通過馬赫一曾德二涉儀分光后，在布罩淵信號輸出端，瑞利散射得到了抑制，從背向散射信號中將微弱的，發(fā)佰罩淵散射（）信號分離出來，即可得到自發(fā)自艱淵散射的時域反射波形。如糶光纖的溫度條件發(fā)生變化，就可通過與溫度的相！關系實現(xiàn)

40、分布型溫度傳感。實驗，傳感光纖是兩段熔接而成的，總長艘為，。泵浦脈沖光的重復頻；簪為，脈沖寬度為（），對應的空兀分辨率為。激光器的輸出功二紅為，摻餌光纖放人器（？）泵油激光器的驅動乜流叮凋，光電檢測器帶慌乃（）。器華北電力入學碩十學位論文在利用圖所示的傳感系統(tǒng)對自發(fā)御旱淵散射時域波形進行測量的實驗研究過程中，觀測到了一些不同于一般系統(tǒng)波形的現(xiàn)象，抑制瑞利散射后在室溫無應變變化條件下測得的典型時域波形如圖至圖所示。圖是使用單端入射方式并抑制了瑞利散射的時域波形，即普通的波形。從圖中可以看出，曲線并未呈現(xiàn)出典型波形的衰減分布，而在后端卻呈現(xiàn)出上升趨勢，考慮到瑞利散射已經被抑制掉，而拉曼散射強度量級

41、很小，顯然造成曲線后端上升的原因不是因為拉曼散射，經過深入分析，此時系統(tǒng)中是因為產生了效應，才使得曲線后端呈現(xiàn)出未衰減反而逐漸上升的現(xiàn)象，本章節(jié)將詳細闡述產生圖中處所示的曲線上升現(xiàn)象的原因。此時，已經無法正常檢測帶有被測場分布信息的自發(fā)布里淵信號，圖中所示波形為自發(fā)布里淵散射和受激布里淵散射并存疊加的波形。；光驪皿議舸，護，±；±±光絹：始端反射÷÷÷。一÷圖驅動電流為時的圖驅動電流為時的波形波形進一步增大放大器的輸出功率，在兩段光纖的熔接處存在明顯的熔接損耗，后端出現(xiàn)明顯上升趨勢，由于泵浦光的衰耗，使大部分能量轉移到斯托克

42、斯光，布里淵增益呈現(xiàn)出飽和狀態(tài)。圖驅動電流為時的波形光纖始端反射。熔妾點、。干！？矗。？一二一，；：夕÷±圖驅動電流為時的波形扣瑩缸飛悄寸；接¨煦：蕊一始¨一齡冪；華北電力人學碩士學位論文圖驅動電流為時的波形一一童一鬻：需耋蓮干涉圖驅動電流為時的波形受激布里淵散射是單模光纖中最容易產生的非線性效應，閾值比較低，一般光纖放大器的輸出功率都達到了的閾值引，此現(xiàn)象的發(fā)生是由于系統(tǒng)中產生了效應，能量發(fā)生了轉移，使得波形發(fā)生畸變，如圖至圖所示。圖至圖中處所示，在入射端附近產生了效應的馳豫振蕩，斯托克斯光的強度并不是單調地接近其穩(wěn)態(tài)值，而是表現(xiàn)為周期性馳豫振蕩。在入

43、射端附近，斯托克斯光的迅速增大消耗了大量泵浦波，導致增益下降，直到泵浦波的消耗部分通過光纖，增益彳重新恢復，以上過程重復進行而形成了振蕩；造成曲線處現(xiàn)象的原因與處不同，圖至圖中處附近所示是因為布里淵增益早已達到了飽和狀態(tài)。上述圖至中的處和處以及光纖前端的干涉等現(xiàn)象的產生將對基于自發(fā)布里淵散射分布型光纖傳感的測量帶來負面影響，使得在進行有用信號的處理時發(fā)生錯誤，不能準確提取出帶有被測溫度或應變場分布信息的自發(fā)布罩淵散射信號，通常中的效應是作為有害因素來排除的。然而，由于圖中處信號強度較大且呈上升趨勢，有可能對提高系統(tǒng)的傳感性能大有裨益陽們。因此，解析圖至中所示現(xiàn)象，深入研究系統(tǒng)中的效應及其傳感應用具有重要意義。理論分析深入研究系統(tǒng)中的效應，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中效應的產生原理與系統(tǒng)中的效應原理在本質上是一直的，為了解