光纖傳感原理

關(guān)于光纖傳感原理1*第1頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三特點(diǎn)：同時(shí)獲取在傳感光纖區(qū)域內(nèi)隨時(shí)間和空間變化的被測(cè)量分布信息的能力。傳感空間范圍大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、性價(jià)比低，具體而言：1：傳感元件僅為光纖；2：一次測(cè)量就可獲取整個(gè)光纖區(qū)域內(nèi)被測(cè)量的一維分布圖；3.系統(tǒng)的空間分辨力一般在米的量級(jí)，對(duì)更窄范圍的變化只能測(cè)平均；4.系統(tǒng)的測(cè)量精度與空間分辨力一般存在相互制約關(guān)系；5.檢測(cè)信號(hào)一般較微弱，因而要求信號(hào)處理系統(tǒng)具有較高的信噪比；6.在檢測(cè)過(guò)程中需進(jìn)行大量的信號(hào)加法平均、頻率的掃描、相位的跟蹤等處理，因而實(shí)現(xiàn)一次完整的測(cè)量需較長(zhǎng)的時(shí)間。引言02*第2頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三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*第3頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三I.瑞利散射瑞利散射是入射光與介質(zhì)中的微觀粒子發(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。在光纖傳感技術(shù)中，一般采用光時(shí)域反射（OTDR）結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)被測(cè)量的空間定位，典型傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。4*第4頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三強(qiáng)度調(diào)制型當(dāng)一束脈沖光在光纖中傳播時(shí)，由于光纖中存在折射率的微觀不均勻性，會(huì)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(guò)檢測(cè)后向散射光信號(hào)的強(qiáng)度就能夠獲得外界物理量的大小。目前基于對(duì)后向瑞利散射光進(jìn)行強(qiáng)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(xué)染料對(duì)光的吸收特性構(gòu)成的分布式化學(xué)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*第5頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三偏振調(diào)制型偏振態(tài)光時(shí)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(shí)，光的偏振態(tài)就會(huì)隨之發(fā)生變化；瑞利散射光在散射點(diǎn)的偏振方向與入射光相同，在光纖的入射端對(duì)后向瑞利散射光的偏振態(tài)和光信號(hào)的延遲時(shí)間進(jìn)行檢測(cè)就可獲得外界物理量的分布情況；由于磁場(chǎng)、電場(chǎng)、橫向壓力和溫度都能夠?qū)饫w中光的偏振態(tài)進(jìn)行調(diào)制，因此該技術(shù)可用于實(shí)現(xiàn)多個(gè)物理量的測(cè)量?；诤笙蛉鹄⑸涞膫鞲屑夹g(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(guó)、新加坡、意大利等幾個(gè)單位在繼續(xù)研究。6*第6頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三7*第7頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三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(xué)介質(zhì)中，高能量（波長(zhǎng)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(guò)程稱為拉曼效應(yīng)。光通過(guò)光纖時(shí)，光子和光纖中的光聲子會(huì)產(chǎn)生非彈性碰撞，發(fā)生拉曼散射，波長(zhǎng)大于入射光為斯托克斯光，波長(zhǎng)小于入射光為反斯托克斯光。基于拉曼散射的分布式傳感稱為：ROTDR8*第8頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三基于拉曼散射的分布式溫度傳感技術(shù)是分布式光纖傳感技術(shù)中最為成熟的一項(xiàng)技術(shù)。對(duì)該技術(shù)開(kāi)展研究工作的主要有英國(guó)的King大學(xué)，中國(guó)的重慶大學(xué)和中國(guó)計(jì)量學(xué)院。目前，該類傳感器的一些產(chǎn)品已出現(xiàn)在國(guó)際、國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，最為著名的是英國(guó)York公司的DTS80，它的空間分辨力和溫度分辨力分別能達(dá)到1m、1℃，測(cè)量范圍為4～8km。9*第9頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三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(guò)光纖時(shí)，光子和光纖中因自發(fā)熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的聲子會(huì)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(duì)入射光的頻率發(fā)生變化，這一變化的大小與散射角和光纖的材料特性有關(guān)?；诓祭餃Y散射的分布式傳感稱為：BOTDR10*第10頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三IV.偏振型偏振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(shí)，產(chǎn)生兩正交偏振模間的耦合效應(yīng)傳感。檢測(cè)利用Michelson干涉儀進(jìn)行掃描獲得作用點(diǎn)的位置。11*第11頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三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(shí)，兩路光產(chǎn)生相位差進(jìn)行傳感。檢測(cè)利用各種干涉儀進(jìn)行掃描獲得作用點(diǎn)的位置。VI.熒光型（參加教材P41-44）12*第12頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三基于布里淵散射的雙路分布式光纖傳感器傳感應(yīng)用舉例2泵浦波通過(guò)電致伸縮產(chǎn)生聲波，然后引起介質(zhì)折射率周期性調(diào)制。泵浦引起的折射率光柵通過(guò)布拉格衍射散射泵浦光，由于多普勒效應(yīng)，散射光產(chǎn)生了頻移：其中，n為光纖纖芯折射率，υa為聲波速度，λ為入射泵浦光波長(zhǎng)。13*第13頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三當(dāng)光纖受溫度或者軸向應(yīng)力影響時(shí)，布里淵頻移會(huì)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)，υB是布里淵散射譜半峰全寬，υ0為布里淵增益譜的中心頻率.14*第14頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三15*第15頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1550nm窄線寬DFB激光器出射連續(xù)光被C1分為兩條光路：探測(cè)光路和參考光路。5％端的輸出作為探測(cè)光路，經(jīng)過(guò)偏振控制器(PC)，進(jìn)入11Gb／s的電光調(diào)制器(EOM)產(chǎn)生光脈沖，然后經(jīng)過(guò)摻鉺光纖放大器(EDFA)放大，再經(jīng)過(guò)環(huán)形器1和光纖布拉格光柵FBG1(中心波長(zhǎng)為1550nm，3dB帶寬為0．1nm，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(cè)脈沖信號(hào)。該脈沖信號(hào)在進(jìn)入探測(cè)光纖前，經(jīng)過(guò)一個(gè)95／5的耦合器c2，將5％的脈沖信號(hào)輸人光示波器監(jiān)控脈沖形狀。探測(cè)脈沖經(jīng)過(guò)光隔離器通過(guò)50／50的光耦合器c3分別進(jìn)入兩根傳感光纖.耦合器C1的95％端口輸出的信號(hào)作為參考光，通過(guò)偏振控制器，進(jìn)入12.5GHz的電光調(diào)制器，被10．3GHz的微波信號(hào)調(diào)制成兩個(gè)邊頻信號(hào)，與返回的頻移約為11GHz的布里淵散射信號(hào)混頻后，用探測(cè)帶寬為1GHz雙平衡光電探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)。擾偏器(PS)消除信號(hào)的偏振噪聲。16*第16頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三17*第17頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三◆BackgroundOTDR：BarnoskiandJensen，1976;PolarizationOTDR(POTDR)：Rodgers,1981；Importanttechniquetoproducehighsensitivefibersensor.◆Principle

Rayleighscatterinthefiber,thebackscatteredlight,spatialdistributionofthepolarizationproperty,analyzerelement,thepolarizationinformation,intensityvariation.(pleaserefertoFig.1.)◆Characteristic﹡Thebackscatteredlightisverylow,about-50dB;﹡ThesameSOPastheincominglight.POTDR318*第18頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三TwosamplesofPOTDRAModelOTDRAttenuatorDetectorPGDFBLAOMPCPolarizerEDFACirculatorFiber19*第19頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三TwosamplesofPOTDR(Continued)BModelPGDFBLStockesAnalyzerOpticalReceiverDigitizingScopeEDFAEDFAEDFAFiberCirculatorRotatablePolarizer20*第20頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三POTDRapplication

◆Experimentalsetup

OTDRMW9076B7FiberPolarizationControllerFiberPolariserFiberUnderStressFiber1

Fiber215Km12KmPolarizationController15km12kmFiberAnritsu,MX907600A21*第21頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三◆Applicationtoasensitivestresssensorsystem

1.WaveformsnearbythelocationofFUS

22*第22頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

2.Waveformsclosetotheend23*第23頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三◆Applicationtothepolarizationinvestigation

1.Locationofthepolarizationvariation24*第24頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

2.Simplemeasurementofpolarizationvariation25*第25頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.In-depthmeasurementofpolarizationvariation26*第26頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三POTDRExperimentImprovedPOTDRsystemModulatorPPGMP1632CFiber14KmEDFA1Filter1PC1FresnelreflectionFiberPolariserEDFA2SDA5000ALeCroyLD1550nmPC2CouplorFilter2

27*第27頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三ExperimentalresultRayleighscatterof14kmfiber28*第28頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三Fiber~2kmGlycerin（甘油）FiberPolariserSDA5000ACouplorDetectorGlycerinPC脈沖光源瑞利散射2km(a)(b)29*第29頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三ConclusionsPOTDRismoresensitivethanOTDRandwillbeappliedtothesensitivefiber-opticsensingsystem;POTDRtechniqueisapowerfulmethodtodiagnosethepolarizationpropertiesalongthefiber;Shortentheopticalpulses,lessenth