光纖傳感原理9課件

1、第九講 分布式光纖傳感技術(shù)光纖傳感原理 分布式光纖傳感原理 傳感應(yīng)用舉例 POTDR 本講小結(jié)1北京交大光信息所特點：同時獲取在傳感光纖區(qū)域內(nèi)隨時間和空間變化的被測量分布信息的能力。傳感空間范圍大、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、性價比低，具體而言：1：傳感元件僅為光纖；2：一次測量就可獲取整個光纖區(qū)域內(nèi)被測量的一維分布圖；3. 系統(tǒng)的空間分辨力一般在米的量級，對更窄范圍的變化只能測平均；4. 系統(tǒng)的測量精度與空間分辨力一般存在相互制約關(guān)系；5. 檢測信號一般較微弱，因而要求信號處理系統(tǒng)具有較高的信噪比；6. 在檢測過程中需進行大量的信號加法平均、頻率的掃描、相位的跟蹤等處理，因而實現(xiàn)一次完整的測量需較長

2、的時間。引言02北京交大光信息所分布式光纖傳感原理1 瑞利散射 拉曼散射 布里淵散射散射型偏振型相位型熒光型3北京交大光信息所 強度調(diào)制型 當一束脈沖光在光纖中傳播時，由于光纖中存在折射率的微觀不均勻性，會產(chǎn)生瑞利散射。 如果外界物理量的變化能夠引起光纖的吸收、損耗特性或瑞利散射系數(shù)的變化，那么通過檢測后向散射光信號的強度就能夠獲得外界物理量的大小。 目前基于對后向瑞利散射光進行強度調(diào)制的分布式光纖傳感器有： 利用微彎損耗構(gòu)成的應(yīng)力傳感器 利用放射線所引起光損耗構(gòu)成的分布式輻射傳感器 利用化學染料對光的吸收特性構(gòu)成的分布式化學傳感器 利用液芯光纖瑞利散射系數(shù)與溫度的關(guān)系構(gòu)成的分布式溫度傳感器5

3、北京交大光信息所 偏振調(diào)制型 偏振態(tài)光時間域反射法（POTDR）最初由Rogers提出，其基本原理： 光纖受外界物理量的調(diào)制時，光的偏振態(tài)就會隨之發(fā)生變化； 瑞利散射光在散射點的偏振方向與入射光相同，在光纖的入射端對后 向瑞利散射光的偏振態(tài)和光信號的延遲時間進行檢測就可獲得外界物理量的分布情況； 由于磁場、電場、橫向壓力和溫度都能夠?qū)饫w中光的偏振態(tài)進行調(diào)制，因此該技術(shù)可用于實現(xiàn)多個物理量的測量。 基于后向瑞利散射的傳感技術(shù)是現(xiàn)代分布式光纖傳感技術(shù)的基礎(chǔ)，它在80年代初期得到了廣泛的發(fā)展。目前由于技術(shù)難度較大，在這方面的研究者較少，據(jù)我們所知只有：中國、新加坡、意大利等幾個單位在繼續(xù)研究。6北

4、京交大光信息所7北京交大光信息所II.拉曼散射 1928年，C. Raman爵士發(fā)現(xiàn)拉曼效應(yīng)：在非線性光學介質(zhì)中，高能量（波長較短）的泵浦光散射，將一小部分入射功率轉(zhuǎn)移到另一頻率下移的光束，此過程稱為拉曼效應(yīng)。 光通過光纖時，光子和光纖中的光聲子會產(chǎn)生非彈性碰撞，發(fā)生拉曼散射，波長大于入射光為斯托克斯光，波長小于入射光為反斯托克斯光?；诶⑸涞姆植际絺鞲蟹Q為：ROTDR8北京交大光信息所III.布里淵散射 1964年，首次發(fā)現(xiàn)布里淵散射效應(yīng)。 光通過光纖時，光子和光纖中因自發(fā)熱運動而產(chǎn)生的聲子會產(chǎn)生非彈性碰撞，發(fā)生自發(fā)布里淵散射。 散射光的頻率相對入射光的頻率發(fā)生變化，這一變化的大小與散射

5、角和光纖的材料特性有關(guān)。 基于布里淵散射的分布式傳感稱為：BOTDR10北京交大光信息所V. 相位型 相位型分布式光纖傳感器是利用保偏光纖在受到外界的作用時，兩路光產(chǎn)生相位差進行傳感。 檢測利用各種干涉儀進行掃描獲得作用點的位置。VI. 熒光型 （參加教材P41-44）12北京交大光信息所當光纖受溫度或者軸向應(yīng)力影響時，布里淵頻移會發(fā)生變化: 考慮到聲波是呈指數(shù)衰減的，布里淵增益譜具有洛侖茲線形其中，g0是布里淵散射峰值增益系數(shù)，B是布里淵散射譜半峰全寬，0為布里淵增益譜的中心頻率.14北京交大光信息所15北京交大光信息所 1550nm窄線寬DFB激光器出射連續(xù)光被C1分為兩條光路：探測光路和

6、參考光路。 5端的輸出作為探測光路，經(jīng)過偏振控制器(PC)，進入11 Gbs的電光調(diào)制器(EOM)產(chǎn)生光脈沖，然后經(jīng)過摻鉺光纖放大器(EDFA)放大，再經(jīng)過環(huán)形器1和光纖布拉格光柵FBG1(中心波長為1 550nm，3 dB帶寬為01 nm，反射率為80)組合濾波，濾除放大后的ASE噪聲。最后得到高功率、高消光比、低噪聲的探測脈沖信號。該脈沖信號在進入探測光纖前，經(jīng)過一個955的耦合器c2，將5的脈沖信號輸人光示波器監(jiān)控脈沖形狀。探測脈沖經(jīng)過光隔離器通過5050的光耦合器c3分別進入兩根傳感光纖. 耦合器C1的95端口輸出的信號作為參考光，通過偏振控制器，進入12.5 GHz的電光調(diào)制器，被1

7、03 GHz的微波信號調(diào)制成兩個邊頻信號，與返回的頻移約為11GHz的布里淵散射信號混頻后，用探測帶寬為1GHz雙平衡光電探測器進行探測。擾偏器(PS)消除信號的偏振噪聲。16北京交大光信息所17北京交大光信息所 Background OTDR：Barnoski and Jensen，1976; Polarization OTDR(POTDR)：Rodgers,1981； Important technique to produce high sensitive fiber sensor. Principle Rayleigh scatter in the fiber, the backsca

8、ttered light , spatial distribution of the polarization property, analyzer element ,the polarization information, intensity variation. (please refer to Fig.1.) CharacteristicThe backscattered light is very low, about -50dB ; The same SOP as the incoming light. POTDR318北京交大光信息所Two samples of POTDR(Co

9、ntinued)B ModelPGDFBLStockesAnalyzerOpticalReceiverDigitizingScopeEDFAEDFAEDFAFiberCirculatorRotatablePolarizer20北京交大光信息所POTDR application Experimental setup OTDRMW9076B7FiberPolarizationControllerFiberPolariserFiber Under StressFiber1 Fiber215Km12KmPolarizationController15 km12 kmFiberAnritsu, MX90

10、7600A 21北京交大光信息所 2.Waveforms close to the end23北京交大光信息所 Application to the polarization investigation 1.Location of the polarization variation24北京交大光信息所 3. In-depth measurement of polarization variation26北京交大光信息所POTDR Experiment Improved POTDR systemModulatorPPGMP1632CFiber14KmEDFA 1Filter1PC 1Fresn

11、el reflectionFiberPolariserEDFA 2SDA5000ALeCroyLD1550nmPC 2CouplorFilter2 27北京交大光信息所Experimental resultRayleigh scatter of 14km fiber28北京交大光信息所ConclusionsPOTDR is more sensitive than OTDR and will be applied to the sensitive fiber-optic sensing system ;POTDR technique is a powerful method to diagnose the polarization properties along the fiber;Shorten the optical pulses, lessen the power loss, and more p