用于分布式光纤传感的全光纤激光器
第37卷 第6期
中 国 激 光
Vol.37,No.62010年6月
CHIN ES E J OURNAL OF LAS ERS
J une ,2010
文章编号:025827025(2010)0621501204
用于分布式光纤传感的全光纤激光器
高存孝1 朱少岚1,2 冯 莉1 宋志远1,2 曹宗英1 何浩东1 牛林全1,2
1
中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室,陕西西安710119
2
中国科学院研究生院,北京100049
摘要 报道了一台适用于分布式光纤传感的全光纤激光器。激光器基于主振荡功率放大(MOPA )技术,种子光源为半导体激光器,放大器为掺铒光纤放大器。实现了重复频率和脉冲宽度分别独立可调的激光输出,中心波长为
1550nm ,光谱的3dB 带宽小于0.2nm ,获得的最高峰值功率为1.1kW ,输出的激光脉冲中放大自发辐射(ASE )
功率分数的最大值低于10%。
关键词 激光器;光纤激光器;掺铒光纤放大器;分布式光纤传感
中图分类号 TN248.1 文献标识码 A doi :10.3788/CJL 20103706.1501
A n All Fi be r L as e r f o r Dis t ri but ed Op t ical Fi be r S e ns o r
Gao Cunxiao 1 Zhu Shaolan 1,2 Feng Li 1 Song Zhiyuan 1,2 Cao Zongying 1
He Haodong 1 Niu Linquan 1,2
1
St a te Key L abor ator y of Tr a nsie nt Op tics a n d Photonics ,Xi ′a n I nstit ute of Op tics a n d Precision Mecha nics ,
Chi nese Aca de m y of Sciences ,Xi ′a n ,S ha a nxi 710119,Chi n a
2
Gr a d ua te U niversit y of Chi nese Aca dem y of Scie nces ,Beiji ng 100049,Chi n a
Abs t r act An all fiber laser which is suitable for dist ributed optical fiber sensor is reported.The laser is based on the
technique of master 2oscillator 2power 2amplifier (MOPA ),whose seed laser is a laser diode and amplifier is Er 3+doped fiber amplifier.The laser operates in wavelength of 1550nm with the tunable repetition rate and the p ulsewdith ,and the 3dB width is less than 0.2nm.The maximum peak power 1.1kW of laser p ulse is obtained ,and the power of amplified spontaneous emission (AS E )in the outp ut pulse is less than 10%in all condition.Key w or ds lasers ;fiber laser ;Er 3+doped fiber amplifier ;dist ributed optical fiber sensor
收稿日期:2010203222;收到修改稿日期:2010204216
作者简介:高存孝(1979—),男,助理研究员,主要从事脉冲光纤激光器、放大器以及脉冲半导体激光器技术等方面的研
究。E 2mail :cxgao @https://www.360docs.net/doc/5818192444.html,
1 引 言
分布式光纤传感技术是集光、机、电为一体的综合性技术,具有寿命长、耐高电压、抗电磁干扰和系统简单等优点,可以实现连续的空间温度测量、气体泄漏的在线监测等,目前已经广泛用于电力冶金、石油化工、交通运输和火灾预防报警等诸多领域[1～4]。在分布式光纤传感系统中光纤既作为传输通道,同时又是传感的功能元件,可以非常容易地获得链路上被测量参数的空间分布和时间变化信息,这是传统光纤传感所无法比拟的。
目前的分布式光纤传感技术主要有:基于光纤拉曼散射或布里渊散射的光时域反射及频域反射技
术、基于光纤瑞利散射的偏振光时域反射技术、长距
离光干涉技术、菲涅耳反射技术以及准分布式光纤布拉格光栅复用技术等[5～12]。这些技术分别有各自的特点,适合于不同的应用场合。对于基于光纤拉曼散射的光时域反射技术而言,其工作原理是利用光纤背向拉曼散射的温度效应,即光纤所处空间各点的温度场能够改变光纤中背向拉曼散射光的强度,通过测量拉曼反射光的强度就可以得到相应的温度值,并使用光时域反射技术来确定所测温度点的位置。这种分布式光纤传感技术系统结构简单、成本低和应用范围广,目前已经实现了10km 以上的测量距离,是一种很有市场前景的技术。
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由于分布式拉曼散射光纤传感是基于光时域反
射原理来实现测量的,因此其光源必须是具有一定功率的脉冲光源,并且要容易耦合进入光纤。常用的光源有直接调制高功率半导体激光器,通过空间耦合进入到光纤里[13],其优点是结构简单,缺点是使用空间耦合装置,稳定性较差,调制时需要大电流脉冲,电路干扰大。还有一种是通过外调制器将光纤输出的高功率激光调制成脉冲激光,该方法的稳定性和激光输出的特性较好,但是过于复杂,激光功率浪费多,效率低。此外,光纤调Q 激光器可以获得激光脉冲输出,但其脉冲宽度较宽,重复频率和脉冲宽度不能单独调节,而且波形一般不是矩形[14,15]。
本文报道的激光器采用主振荡功率放大(MO PA )技术,种子光源为光纤输出的半导体激光器,其中心波长为1550nm ,光谱宽度小于0.2nm ,放大器采用掺铒光纤放大器,输出激光的重复频率和脉冲宽度分别独立可调,最大峰值功率为1.1kW 。整个激光器采用光纤熔接的方法,实现了
全光纤化,使得激光器结构紧凑、稳定可靠,非常适合作为分布式光纤传感的光源。
2 实验装置
脉冲全光纤MOPA 激光器的实验装置结构示意图如图1所示。种子光源是中心波长为1550nm 的分布反馈(DFB )半导体激光器,内部封装有半导
体制冷器(TEC ),可以通过外部电路实现温度控制,从而使输出波长稳定。采用电流脉冲信号对该半导体激光器直接调制,激光器输出矩形脉冲的脉冲宽度在9～25ns 范围内可调谐,重复频率在1～10k Hz 范围内可调谐,种子光源输出的峰值功率为40mW 。激光放大器为Nufern 公司生产的型号为EDFC9802H P 的单模掺铒光纤,其在976nm 波长处的吸收系数约为3dB/m 。抽运光源为单模(SM )光纤耦合输出的功率为100mW ,波长为976nm 的半导体激光器,通过980nm 光纤分束器将抽运光功率按40:60的比例一分为二,并分别和两个980nm/1550nm 的波分复用器(WDM )连接,将抽运光耦合进掺铒光纤。两段增益光纤的长度分别为4.5m 和8m ,使用光纤隔离器隔离开来,用以防止
反馈光造成的干扰,并使用带通滤波器滤除放大器中产生的放大自发辐射(ASE )光,以防止前级放大器中产生的ASE 对后级放大器造成饱和而使信号光放大效率下降。在不同的重复频率和脉冲宽度下放大器获得的最小增益大于32dB ,在重复频率为1k Hz ,脉冲宽度为9ns 时,获得了峰值为1.1kW 的脉冲输出。采用Lecroy8600型示波器(带宽6GHz )和Newfocus1142(带宽45GHz )光电探测器测量脉冲的时域波形,用Ando 6315A 光谱仪(最高精度为0.05nm )测量激光器的输出光谱,激光脉冲的输出功率由Spect ra 2Physics 407光功率计测量
。
图1全光纤脉冲MOPA 激光器结构示意图
Fig.1Configuration of all 2fiber pulse MOPA laser
3 实验结果及讨论
由于半导体激光器可以直接用电流进行调制,因此可以通过电路的设计来实现输出激光脉冲的可调谐,针对该种子半导体激光器特性以及光纤传感的应用要求设计了一套基于数字电路的脉冲电流源,在该电路的驱动下种子激光器实现了脉冲宽度在9～25ns 范围内可调谐,重复频率在1～10k Hz 范围内可调谐。种子激光器在不同脉冲宽度调制下输出的时域波形如图2所示,其输出波形的脉冲宽
度和电脉冲宽度基本一致。由于数字电路所用芯片精度和电路板设计等方面的限制,使得脉冲宽度有一定程度的抖动,并且随着重复频率的降低和脉冲宽度的增加而增加,最大的脉冲宽度抖动小于500p s 。图3为重复频率1k Hz ,脉冲宽度25ns 时的多次脉冲波形叠加的结果,示波器采用上升沿触发,从后沿抖动可以看出脉冲宽度约有500p s 的抖动。在各种调制情况下的最小抖动约为200p s 。
在放大器抽运光功率为80mW 时,测量了不同调制频率和脉冲宽度下光纤放大器的输出功率,激
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6期高存孝等:
用于分布式光纤传感的全光纤激光器
图2重复频率1k Hz 时种子激光的时域波形
Fig.2Output pulse temporal trace of seed laser
at repetition rate of 1k
Hz
图3重复频率1k Hz ,脉宽25ns 时脉冲多次
叠加的结果
Fig.3Overlap of multipulse at repetition of 1k Hz
and pulsewdith of 25ns
光脉冲的最大峰值功率出现在重复频率为1k Hz ,脉冲宽度为9ns 的位置,这时功率值为1.1kW ,其峰值抖动小于5%,在其他调制情况下最大的峰值抖动小于5%,最小的峰值抖动小于3%。用示波器记录了经过光纤放大器后的脉冲时域波形,如图4所示。从对图4和图2的对比结果中可以看出脉冲波形顶部变得不再平坦,出现了向下的倾斜,并且随着脉冲宽度的增加变得更加明显。产生这种现象的原因是由掺铒光纤放大器中所谓的瞬态增益特
性造成的[16],即增益光纤中的反转粒子数在不同的
种子脉冲传输时会随时间变化,当多个脉冲同时通过放大器时,前面脉冲对后面脉冲的行为将会产生影响,本实验中则是单个脉冲的前沿对后沿产生了影响。引起瞬态增益效应的主要原因是受激辐射的时间相关性及初始状态相关性。在初始时刻,一个方波信号脉冲到达放大器输入端,当抽运光足够强时,信号脉冲前沿经历了小信号增益。然而,如果输入信号
的脉冲持续时间较长,那么,由于受激辐射过程,放大器积累的上能级粒子数会在短时间内抽空,使得脉冲后沿经历的增益远小于脉冲前沿所经历的增益,这样从放大器输出的信号已不再是方波脉冲,从而造成光脉冲波形的畸变。当然,这种放大器增益在时间上的不均匀分布是不能改变的,但可以通过对输入的种子激光脉冲的初始形状加以修正,使得放大后的脉冲波形呈现为期望的形状。这就需要形状可调的电脉冲,就现在来说实现起来还比较困难,将在下一步的实验
中继续探索研究。
图4重复频率1k Hz 时输出激光脉冲的时域波形
Fig.4Output pulse temporal trace of the laser
at repetition rate of 1k Hz
从光谱上看,放大前后的光谱形状变化不大,由于放大器引入了噪声,使得激光脉冲的信噪比有所下降。图5为种子光和放大器输出的光谱,
光谱的
图5输出光谱图。(a )种子激光器;(b )放大器
Fig.5Output spectrum.(a )seed laser ;(b )amplifier
3
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3dB带宽小于0.2nm,放大器输出光谱的底座为没有滤除干净的ASE,实验中发现ASE的功率分数随着重复频率和脉冲宽度的增加而减小。经过测量,所有条件下激光器输出脉冲中ASE的功率分数最大值小于10%。
4 结 论
采用MO PA技术,设计并实现了一种用于分布式光纤传感的全光纤激光器,激光器脉冲宽度和重复频率分别独立可调,可针对不同的光纤传感系统选出最优的激光参数。获得的激光脉冲的峰值功率最高达到了1.1kW,足够用于长距离的光纤传感探测,是一种非常实用、可靠的分布式光纤传感光源。下一步工作将对实验中出现的问题进行进一步的改进,以提高激光器的输出指标。
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4051
分布式光纤传感技术
光纤光栅传感器是一种常用的光学传感器件，分布式光纤光栅就属于准分布式光纤传感器件中的一种。选题方向合理。请尽快确定课题完成方式，明确研究内容，尽快开展课题调研论证工作。75 分布式光纤光栅传感技术 光纤传感技术是一种以光纤为媒介，光为载体，感知和传输外界信号（被测量）的新型传感技术，是伴随着光导纤维及光纤通信技术发展而逐步形成的。在光通信系统中，光纤被用作远距离传输光波信号的媒质，在这类应用中，光纤传输的光信号受外界因素的影响越小越好，但是，在实际的光传输过程中，光纤容易受到外界环境因素的影响，如温度、压力、应变等外界条件的变化将引起光纤中传输光波的特征参数如频率、相位、光强、偏振态等的变化，通过测量这些参数的变化，就可以得到外界作用于光纤的物理量，这就是光纤传感技术。光纤传感技术的基本原理是：将光源的光入射进光纤，当光在光纤中传输的过程中受到外界物理量影响，使得被测参数与光纤内传输的光相互作用，进行调制，从而使其光学性质如光的频率、波长(颜色)、强度、相位、偏振态等发生变化成为被调制的信号光，然后将这一调制的信号光送入光探测器中进行解调，经信号处理后就可获得被测参数。 光纤传感器与传统传感器相比具有许多明显优势： 1）体积小、重量轻，几何形状具有多方面的适应性，可以做成任意形状的传感器和传感器阵列。 2）抗电磁干扰能力强、耐高温、耐腐蚀，在易燃、易爆环境下安全可靠。 3）光纤传感器件多是无源器件，对被测对象影响较小。 4）便于复用，便于成网。它既可以作为信息的传递媒介，又可以作为信号测量的传感装置。 5）光纤传感器传输频带宽，动态范围大，测量距离长。 光纤传感器的种类很多，按照其工作方式可分为：点式、准分布式和分布式三类。其中，准分布式光纤传感器是使用传感网络系统进行测量的，其光纤不作为传感元件，只作为传输元件，其敏感元件为多个点式的传感器，它们采用串联或各种网络结构形式连接起来，利用波分复用、时分复用或频分复用等技术形成分布式网络系统，进而可以较精确地分时或同时得到被测量信息的空间分布，也可同时得到某一点或某些空间点上不同被测量的分布信息。 光纤光栅传感器除了具有一般光纤传感器耐高温、耐腐蚀等优点之外，还具有波长编码，抗干扰能力强等特性。另外，它较易于在一根光纤中连续写入多个光栅，以制成分布式光纤光栅传感，制得的光栅阵列轻巧柔软，可与渡分复用或时分复用技术等相结合，且十分适于作为分布式传感兀件贴于结构表面或埋人到材料和结构的内部，以实现对结构应变、温度以及压力等的多点监测，这对于目
分布式光纤传感技术报告-12.10
分布式光纤传感技术报告-12.10
摘要 分布式光纤传感技术是在70年代末提出的，在这十几年里,产生了一系列分布式光纤传感机理和测量系统,并在多个领域得以逐步应用。目前, 这项技术已成为光纤传感技术中最具前途的技术之一。本文主要介绍了光纤的相关特性，分布式光纤传感技术的特点、作用及其分类，详细论述了各种分布式光纤传感器的原理、分布式光纤传感技术的研究现状和具体应用。 关键字：光纤分布式光纤传感技术原理研究现状应用
目录 摘要 引言 1、分布式光纤传感技术简介 1.1光纤基础知识 1)光纤的结构特性 2)光纤的机械特性 3)光纤的损耗特性 2、分布式光纤传感技术原理 2.1 基于光纤后向散射的全分布式光纤传感技术 2.1.1 基于OTDR的微弯传感器 2.1.2 基于自发拉曼散射的光时域散射型（ROTDR）传感器 2.1.3基于受激拉曼效应的传感器 2.1.4基于自发布里渊散射的光时域反射型（BOTDR）传感器 2.1.5基于受激布里渊散射效应的传感器 1)基于布里渊散射的光时域分析型（BOTDA）传感器 2)基于布里渊散射的光频域分析型（BOFDA）传感器 3)基于布里渊散射的光相关域分析型（BOCDA）传感器 4)基于布里渊散射的光相关域反射型（BOCDR）传感 2.1.6基于瑞利散射的偏振光时域反射型（POTDR）传感器 2.1.7基于相位敏感的光时域反射型（Φ-OTDR）传感器 2.2 长距离干涉传感技术 2.3 基于光纤干涉仪的准分布式光纤传感技术 2.4 基于FBG的准分布式光线传感技术 3、分布式光纤传感技术国内外研究进展 4、分布式光线传感技术应用实例
基于瑞利散射的分布式光纤传感技术
光纤中的散射光 当光（电磁）波射入介质时，若介质中存在某些不均匀性（如电场、相位、粒子数密度n、声速v等）使光（电磁）波的传播发生变化，有一部分能量偏离预定的传播方向而向空间中其他任意方向弥散开来，这就是光散射。光的散射现象的表现形式是多种多样的，从不同的角度出发，可有不同的分类，但从产物的物理机制来看，可以分为两大类： 第一类是非纯净介质中的光散射，该散射现象不是介质本身所固有的，而强烈地依赖于掺杂进来的散射中心的性质或介质本身的纯净度。其规律主要表现为：散射光的频率与入射光的频率相同；散射光的强度与入射波长成一定关系。 第二类是纯净介质中的散射，即使所考虑的介质是由成分相同的纯物质组成，其中不含有外来掺杂的质点、颗粒或结构缺陷等，仍然有可能产生光的散射现象，这些散射现象是介质本身所固有的，与介质本身的纯净度没有本质上的关系。属于这类纯净介质的散射现象有如下几种： 1）瑞利散射设介质是由相同的原子或分子组成，由于这些原子或分子空间分布的随机性的统计起伏（密度起伏），造成与电极化特性相应的随机性起伏，而形成入射光的散射。这种散射现象的特点是频率与入射光频率相同，在散射前后原子或分子内能不发生变化，散射光强度与入射光波长的四次方成反比。 2）拉曼散射这种散射现象通常发生在由分子组成的纯净介质中，组成戒指的分子是由一定的原子或离子组成的，它们在分子内部按一定的方式运动（振动或转动），分子内部粒子间的这种相对运动将导致感生电偶极矩随时间的周期性调制，从而可以产生对入射光的散射作用；在单色光入射的情况下，这将是散射光的频率相对于入射光发生一定的移动，频移量正好等于上述调制频率，亦即与散射分子的组成和内部相对运动规律有关。 3）布里渊散射对于任何种类的纯净介质来说，由于组成介质的质点群连续不断的做热运动，使得在介质内始终存在着不同程度上的弹性力学振动或声波场。连续介质的这种宏观弹性力学振动，意味着介质密度（从而也是折射率）随时间和空间的周期性起伏，因而可对入射光产生散射作用，这种作用类似于超声波对光的衍射作用，并且散射光的频移大小与散射角及介质的声波特性有关。
现代电力 - 分布式光纤传感多参量监测技术的研究现状及趋势
文章编号：1007-2322（2013）00-0000-00 文献标志码：A 中图分类号：XXX 分布式光纤传感多参量监测技术的研究现状及趋 势 闫志学 （中国电力科学研究院，北京海淀，100192） The Present Situation and Trend of Research on Distributed Optical Fiber Sensing Technology of Multi-Parameter Monitoring Yan-Zhixue China Electric Power Research Institute, Beijing 100192 摘要：鉴于目前智能电网发展的需求，保障输电线路的正常运行，亟待开发用于输电线路安全监测的多参量传感技术，以建立适应现代社会电力发展所需的智能输电线路。以具有抗电磁干扰、易植入、易组网等特点的光纤传感技术为基础，阐述了基于瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射的分布式光纤传感技术和研究进展，并在此基础上分析了分布式光纤传感技术的发展趋势。探讨了基于ROTDR、BOTDR、BOTDA、Φ-OTDR技术相融合的分布式光纤传感技术，研究了分布式光纤多参量监测技术，及其在智能电网中应用于温度、应变、振动等参量同时在线监测的技术预测。该技术的发展及应用将会实现输电线路的火灾、覆冰、局部放电监测、动态载流量和热寿命预测等分析及故障分析与定位技术，提高输电线路的智能监测水平。单根光纤多种参量的监测技术，实现了输电线路减负及运维管理简便的目的,将会引领输电线路智能监测并达到一个顶峰。 关键词：分布式光纤传感技术；多参量；智能电网；温度；应变；振动 Abstract:In view o f the demand of the smart grid’s development, and ensure the normal working of electric transmission lines, the multi parameter sensing technology of safety monitoring of transmission line is expected to develop, in order to establish the adaptive intelligent electric transmission lines needed for modern social power development. The research based on optical fiber sensor whose features are anti electromagnetic interference, be easy to implant and easy networking. The technology and research progress of the distributed optical fiber sensors were described, which based on Rayleigh scattering, Raman scattering and Brillouin scattering. And the development trend of the distributed optical fiber sensors was also analyzed. The distributed optical fiber sensors are used for multi parameter monitor which based on the mixing of ROTDR, BOTDR, BOTDA and Φ-OTDR were discussed, also studied the distributed optical fiber multi parameter monitoring, and forecast its application for online monitoring the smart grid of temperature, strain, vibration ect. The technology development and application will achieve electric transmission line of fire, ice and partial discharge monitoring, dynamic load flow and thermal life prediction analysis, also fault analysis and location technology, improve the level of intelligent monitoring of electric transmission line. Monitoring technology of single fiber various parameters, realizes the transmission line burden and operation management simple purpose, will lead to transmission line intelligent monitoring and reach a peak. Key words:the distributed optical fiber sensors; multi parameter; the smart grid; temperature; strain; vibration 0引言 光纤传感技术按照工作方式的不同可以划分为点式光纤传感[1]、准分布式光纤传感[2]和分布式光纤传感。目前，设备的状态监测[3-4]都需要大量监测数据，即大量传感器采集，点式光纤传感器需要一支传感器对应一个解调通道，传感器只能星型布网，呈现出传感光缆布置复杂、仪器设备繁多等缺点，因此点式传感器的发展受到工程应用的局限；准分布式光纤传感不仅可以实现对设备关键点的监测，还能够实现传感器多种组网技术，因此其在设备全方位立体监测中非常适宜；分布式光纤传感中，光纤既是传输媒介又是传感元件，可以实现空间上的连续探测，因此其在线路和大面积表面监测
分布式光纤传感器系统测量原理
分布式光纤传感器系统测量原理 [摘要]: 光在光纤中传播，光与介质中光学声子、声学声子发生碰撞，会产生后向散射的光，这些后向散射的光的频率、强度均会发生改变。其改变量的大小与折射率等有关，而折射率等因素受光纤的应变、温度的影响。 [关键词]：光纤；光纤传感器；测量 中国分类号：TN6 文献标识码：A 文章编号：1002-6908(2007)0110021-01 1．BOTDR的分布式温度和应变测量 BOTDR的分布式应变测量原理，当入射光在光纤中传播时，入射光会与声波声子相互作用，产生布里渊散射。其散射光的传播方向与入射光的传播方向相反。当入射光的波长那布里渊散射的最大能量的频率与入射光的频率之差大约是11GHz。这个频移量就叫做布里渊频移。如果光纤沿径向发生了应变，那布里渊散射对应于应力的频移量，如图1所示： 为了测量分布式的应变，通过使用BOTDR技术，沿着光纤观测布里渊散射光的频谱，确定布里渊频移的大小，从而达到测量应力的目的。如图2所示。在光纤的一端脉冲光入射，同时在这端使用时间域的BOTDR接收布里渊后向散射光。因此，产生布里渊散射的位置与脉冲光发射的位置的距离Z可以由下列登时确定，在这个式中，时间T是发射脉冲光与接收的布里渊散射光的时间差。 为了能获得布里渊散射光的频谱，我们重复上面所做的步骤，我们缓慢的改变入射光的频谱宽度。在布里渊散射光的不同频率段，我们能获得大量的分布式能量。如图2所示。所以，我们能够从获得的布里渊散射光的波形，知道在光纤中任何位置，那散射光的频谱。所以，我们固定频谱到那些Lorentzian弯曲和使用能量峰值的频谱。通过相应弯曲位置的应力。 应变与布里渊频率的改变量的各自联系。在实际的测量中，测量之前，（1）中的系数和布里渊频移可以在无应变时测量出来。然后，频移转换成应变。 注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。
分布式光纤传感技术在地震监测中的应用探讨
分布式光纤传感技术在地震监测中的应用探讨 刘文义 （中国地震局第二监测中心，陕西西安 710054） 1 分布式光纤传感技术 分布式光纤传感利用光导纤维具有的传感、传输双重特性，实现对被测量对象沿光纤分布的多点甚至连续测量，以达到取代多台独立点传感器的目的。它既具有光纤的抗电磁场干扰、大信号传输带宽等优点，又突破了点式光纤传感的限制，可以同时获得被测量对象测量参数的空间分布及其随时间变化的信息，并使之能够进行远距离遥测监控，在许多工程领域有重大的应用价值。 分布式光纤传感技术主要有3个方面的突破：①基于瑞利散射的分布式光纤传感技术；②基于拉曼散射的分布式光纤传感技术；③基于布里渊散射的分布式光纤传感技术。基于布里渊散射的分布式传感技术的研究起步较晚，但由于它在温度、应变测量上所达到的测量精度、测量范围以及空间分辨率均高于其他传感技术，因此，这种技术在目前得到广泛关注与研究。 2 布里渊分布式光纤传感系统研究现状和产品性能分析 （1）传感方案的研究现状。目前，基于布里渊散射的分布式光纤传感系统从方案上分主要有三种：时域反射计（BOTDR）的光纤传感技术、时域分析（BOTDA）的光纤传感技术、光频域分析（BOFDA）的光纤传感技术。由于基于BOTDR的传感方式最大的优点是只需要单端入射，结构简单，从而在实际应用中会很方便，所以，目前国内外对此方案的研究投入相对较多，是技术与产品最成熟的光纤传感器。 （2）传感系统性能的研究现状。对传感系统的性能的研究成果比较突出的主要集中在以下4个方面：温度或应变传感系统的研究；温度和应变同时传感系统的研究；提高系统空间分辨率的研究；提高系统传感距离的研究。 （3）主要分布式光纤传感器产品。目前主要有日本、英国、瑞士、加拿大等国的公司生产商用产品。 3 分布式光纤监测技术的最新进展 （1）国际研究进展。近年来，光纤传感器研究现状和发展趋势呈现出以下几个方面的特点：传感监测的解调技术更加先进，性能和指标更加精确和准确；分布式监测越来越受重视，已成为地质、岩土和土木工程监测的发展方向；应用技术的研究在不断加强，包括光纤传感器的封装技术，特种传感光纤的研制，传感光纤的铺设和安装技术等；相关技术的应用领域和范围迅速扩大。 （2）我国研究应用现状。近几年，我国在研究和应用方面有了长足的发展，新型传感技术不断涌现，工程的应用面不断扩大。与国际上一些先进国家相比还存在着一定的差距，主要体现在一些核心的传感解调技术还掌握在少数国家手中，监测仪器昂贵导致这些先进技术的推广和应用受到了很大影响。 4 在地震监测中的可行性研究 与目前地震监测的方法相比，分布式光纤传感器除具有结构简单、灵敏度高、耐腐蚀、电绝缘、防爆性好、抗电磁干扰、光路可挠曲、易于与计算机连接、便于遥测等优点外，其最显著的优点就是可以测出光纤沿线任一点上的应变、温度和损伤等信息，实现对监测对象的全方位立体监测。因此，引进、研究和开发分布式光纤应变/温度观测技术对活动块体边界带（或断裂带）的监测具有重要意义。 （作者信箱：sf55@https://www.360docs.net/doc/5818192444.html,） 101
分布式光纤传感温度报警系统
分布式光纤传感温度报警系统Ξ 张在宣 郭 宁 余向东 吴孝彪 (中国计量学院光电子技术研究所,杭州310034) 摘 要 研制了一种由分布光纤温度传感器系统组成的新型在线自动温度检测、报警系统,它是一种特殊的光纤通信网络,也是一种光纤雷达。文中讨论了系统的工作原理、调制与解调原理,系统的组成结构和系统的报警特性。在一根2km光纤上可采集一千个温度信息并能进行空间定位,是一种理想的温度报警系统。 关键词 分布光纤温度传感器 光时域反射技术 温度报警系统 一、前 言 分布式光纤温度传感器系统实质上是分布光纤喇曼(Raman)光子传感器(DOFRPS)系统,它是近年来发展起来的一种用于实时测量空间温度场的光纤传感系统。在系统中光纤既是传输媒体又是传感媒体,利用光纤背向喇曼散射的温度效应,光纤所处空间各点的温度场调制了光纤中的背向喇曼散射的强度,即反斯托克斯(stokes)背向喇曼散射光的强度),经波分复用器和光电检测器采集了带有温度信息的背向喇曼散射光电信号,再经信号处理系统解调后,将温度信息实时从噪声中提取出来并进行显示,它是一种典型的光纤通信网络;在时域里,利用光纤中光波的传播速度和背向光回波的时间间隔,利用光纤的光时域反射(O TDR)技术对所测温度点定位,它是一种典型的光雷达系统。 分布光纤传感系统中的传感光纤不带电,抗射频和电磁干扰,防燃、防爆、抗腐蚀、耐高电压和强电磁场、耐电离辐射,能在有害环境中安全运行,系统具有自标定、自校准和自检测功能;即使在光纤受损时不仅可继续工作,而且可检测出断点位置。在一根2km光纤上可采集一千个温度信息并能进行空间定位,由于分布光纤传感系统的优越特性,已经开始应用于火灾自动温度报警系统。 分布光纤温度传感器的主要用途: 11用于煤矿、隧道的温度自动报警控制系统; 21油库、油轮,危险品仓库,大型货轮,军火库等温度自动报警控制系统; 31高层建筑、智能大厦、桥梁、高速公路等在线动态检测和火灾防治及报警; 41各种大、中型变压器,发电机组的温度分布测量,热保护和故障诊断; 51地下和架空高压电力电缆的热检测与监控; 61火力发电所的配管温度、供热系统的管道、输油管道的热点检测和故障诊断;化工原料、照相材料及油料生产过程在线动态检测; 71作为一种典型的机敏结构用于航空、航天飞行器在线动态检测和机器人的神经网络系统。 分布光纤温度传感系统是一种光机电和计算机一体化的高科技,世界上有英国、日本、瑞士和我国研制生产,英国、日本等应用于大型变压器、发电机组热保护和保障诊断,日本、瑞士和我国开始应用于火灾自动报警控制系统。 分布光纤温度传感器系统可显示温度的传播方向、速度和受热面积。可将报警区域的 42计量技术 20001№2Ξ国家首批产学研工程项目资助
分布式光纤传感器
光纤分布式声波传感技术 刘德中通信学院 2013010917006 内容摘要 声波属于物质波,其实质是质点振动、应力、压力等在弹性介质中的多样表现形式。在声学的研究领域中,声波的产生机制、传播形式以及检测方法是会共同涉及的内容。目前的声波检测技术就是利用声波信号在弹性介质内的传播变化实现对检测目标的测探、准确识别、定位等。 在光纤传感领域,当前的一个研究热点就是光纤声波检测,它可以用作水听器,应用于海洋、陆地石油、天然气勘探输油管道实时检测预警系统;也可用作光纤麦克风,用光纤光栅制成的声波传感探头基元以光纤光栅的中心波长调制来获得传感信息的,它具有灵敏度高、抗干扰能力强、全光纤的特点,同时还具有能够实现波分复用、检测探头的微型化等特点。 关键词：声波检测光纤传感技术分布式震动传感布里渊散射 一、技术原理 （一）基于光纤光栅的传感器 基于光纤光栅的传感器的原理是当温度、应变、折射率、应力、浓度等外界环境因素出现变化时,光纤光栅的有效折射率或者是光纤光栅周期就会发生 改变,从而使得光纤光栅的中心波长出现变化,对这一变化量经过信号处理之 后,就能够获得所需要检测的参数。这一过程中,传感信号的获得方式是通过光 纤光栅中心波长的调制实现的,相比于强度调制传感器而言,光纤光栅传感器 的灵敏度更高,更广的动态测量范围。所以,基于光纤光栅的传感器以其自身强 大的抗干扰能力、高灵敏 度以及对光源的稳定性及 能量特征要求低的特性, 使其在精确、精密测量方 面十分合适,光纤光栅传 感器目前已经占据了以光 纤为主要材料的44%左右。 （二）光纤声波传感器 声音属于微压动态信号,要想测量声音信号,可以通过监测频率或声压来实现。一般情况下,人们在传递和探测声信号时,会使用电子式传声器,该传声 器具有声-电换能原理,然而在一些特殊的环境中,如在核磁共振、强电磁干扰 或易燃易爆环境中,一些电子式传声器会失去作用,加之信号衰减会给传感器 端的弱电量信号带来不利影响,所以在较远的距离间无法使用电子式传声器, 这给远距测量带来了诸多难题。为了让信息能够准确传递出去,必须研宄一种 无源传声器,这种传声器不受电磁的干扰,还能在较远的距离间进行传输。光纤
用于分布式光纤传感的全光纤激光器
第37卷 第6期 中 国 激 光 Vol.37,No.62010年6月 CHIN ES E J OURNAL OF LAS ERS J une ,2010 文章编号:025827025(2010)0621501204 用于分布式光纤传感的全光纤激光器 高存孝1 朱少岚1,2 冯 莉1 宋志远1,2 曹宗英1 何浩东1 牛林全1,2 1 中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室,陕西西安710119 2 中国科学院研究生院,北京100049 摘要 报道了一台适用于分布式光纤传感的全光纤激光器。激光器基于主振荡功率放大(MOPA )技术,种子光源为半导体激光器,放大器为掺铒光纤放大器。实现了重复频率和脉冲宽度分别独立可调的激光输出,中心波长为 1550nm ,光谱的3dB 带宽小于0.2nm ,获得的最高峰值功率为1.1kW ,输出的激光脉冲中放大自发辐射(ASE ) 功率分数的最大值低于10%。 关键词 激光器;光纤激光器;掺铒光纤放大器;分布式光纤传感 中图分类号 TN248.1 文献标识码 A doi :10.3788/CJL 20103706.1501 A n All Fi be r L as e r f o r Dis t ri but ed Op t ical Fi be r S e ns o r Gao Cunxiao 1 Zhu Shaolan 1,2 Feng Li 1 Song Zhiyuan 1,2 Cao Zongying 1 He Haodong 1 Niu Linquan 1,2 1 St a te Key L abor ator y of Tr a nsie nt Op tics a n d Photonics ,Xi ′a n I nstit ute of Op tics a n d Precision Mecha nics , Chi nese Aca de m y of Sciences ,Xi ′a n ,S ha a nxi 710119,Chi n a 2 Gr a d ua te U niversit y of Chi nese Aca dem y of Scie nces ,Beiji ng 100049,Chi n a Abs t r act An all fiber laser which is suitable for dist ributed optical fiber sensor is reported.The laser is based on the technique of master 2oscillator 2power 2amplifier (MOPA ),whose seed laser is a laser diode and amplifier is Er 3+doped fiber amplifier.The laser operates in wavelength of 1550nm with the tunable repetition rate and the p ulsewdith ,and the 3dB width is less than 0.2nm.The maximum peak power 1.1kW of laser p ulse is obtained ,and the power of amplified spontaneous emission (AS E )in the outp ut pulse is less than 10%in all condition.Key w or ds lasers ;fiber laser ;Er 3+doped fiber amplifier ;dist ributed optical fiber sensor 收稿日期:2010203222;收到修改稿日期:2010204216 作者简介:高存孝(1979—),男,助理研究员,主要从事脉冲光纤激光器、放大器以及脉冲半导体激光器技术等方面的研 究。E 2mail :cxgao @https://www.360docs.net/doc/5818192444.html, 1 引 言 分布式光纤传感技术是集光、机、电为一体的综合性技术,具有寿命长、耐高电压、抗电磁干扰和系统简单等优点,可以实现连续的空间温度测量、气体泄漏的在线监测等,目前已经广泛用于电力冶金、石油化工、交通运输和火灾预防报警等诸多领域[1～4]。在分布式光纤传感系统中光纤既作为传输通道,同时又是传感的功能元件,可以非常容易地获得链路上被测量参数的空间分布和时间变化信息,这是传统光纤传感所无法比拟的。 目前的分布式光纤传感技术主要有:基于光纤拉曼散射或布里渊散射的光时域反射及频域反射技 术、基于光纤瑞利散射的偏振光时域反射技术、长距 离光干涉技术、菲涅耳反射技术以及准分布式光纤布拉格光栅复用技术等[5～12]。这些技术分别有各自的特点,适合于不同的应用场合。对于基于光纤拉曼散射的光时域反射技术而言,其工作原理是利用光纤背向拉曼散射的温度效应,即光纤所处空间各点的温度场能够改变光纤中背向拉曼散射光的强度,通过测量拉曼反射光的强度就可以得到相应的温度值,并使用光时域反射技术来确定所测温度点的位置。这种分布式光纤传感技术系统结构简单、成本低和应用范围广,目前已经实现了10km 以上的测量距离,是一种很有市场前景的技术。
拉曼型分布式光纤传感器DTS重点
拉曼型分布式光纤传感器DTS 拉曼型分布式光纤传感器DTS描述: 产品简介 拉曼型分布式光纤传感器DTS是国内外应用较成熟的分布式光纤测温技术,利用自发拉曼散射效应和光时域反射技术实时获得沿光纤分布的温度信息,结合智能火灾判断算法,可及时预警火灾隐患,并精确定位火灾发生位置。 诺驰光电的DTS产品采用模块化设计,可靠性高;同时凭借高速微弱信号处理技术优势,实现0.5m空间分辨率,技术指标国内领先。诺驰光电可提供基于多模光纤和单模光纤的DTS,尤其适合高压电缆在线监测、电力载流量分析、交通隧道火情监测、油气储罐火情监测、输煤皮带火情监测、大坝渗漏监测应用。 测量原理 拉曼型分布式光纤传感器DTS的温度测量基于自发拉曼Raman散射效应。大功率窄脉宽激光脉冲入射到传感光纤后,激光与光纤分子相互作用,产生极其微弱的背向散射光,包括温度不敏感的斯托克斯Stokes光和温度敏感的反斯托克斯Anti-stokes光,两者波长不一样,经波分复用器WF分离后由高灵敏的探测器APD探测,根据两者的光强比值可计算出温度。而位置的确定是基于光时域反射OTDR技术,利用高速数据采集测量散射信号的回波时间即可确定散射信号所对应的光纤位置。
技术优势 ?连续分布式温度测量,无测量盲区?光纤即为传感器,可抗干扰 ?测量距离长?可精确定位 ?测量速度快?本质安全,适于易燃易爆环境下长 期工作 ?测量稳定可靠,误报率低?光纤寿命长,几十年免维护 性能特点 ?测量距离:10km?空间分辨率:0.5m—10m ?取样分辨率:0.25m—1m?测量时间:5s ?测量精度:1℃?友好的用户软件,提供可视化界面?提供单模光纤版本产品应用Applications 性能指标
分布式光纤传感技术及其在工程监测中的应用
分布式光纤传感技术及其在工程监测中的应用? 施斌丁勇索文斌高俊启 （南京大学光电传感工程监测中心, 210093 南京） [摘要] 分布式光纤传感技术，如布里渊散射光时域反射测量技术（简称BOTDR），是国际上近几年才发展成熟的一项尖端技术，应用非常广泛。本文着重介绍 BOTDR分布式光纤传感技术在隧道、基坑和路面等三个方面的应用。在工程监 测过程中积累起来的大量监测数据表明，BOTDR分布式光纤传感技术，是一种 全新而可靠的监测方法，它在工程实践中的应用，为工程监测提供了一种新的 思路，因而必将拥有一个广阔的发展前景。 [关键字] BOTDR 光纤传感工程监测应变 1.引言 随着人们对工程安全要求的日益提高，近年来，一批新式的传感监测得到发展，它们不是对传统传感监测技术简单的加以改良，而是从根本上改变了传感原理，从而提供了全新的监测方法和思路。其中，尤以BOTDR分布式光纤传感技术为世人所瞩目，它利用普通的通讯光纤，以类似于神经系统的方式，植入建筑物体内，获得全面的应变和温度信息。该技术已成为日本、加拿大、瑞士、法国及美国等发达国家竞相研发的课题。这一技术在我国尚处于发展阶段，目前已在一些隧道工程监测中得到成功应用，并逐步向其他工程领域扩展。 南京大学光电传感工程监测中心在南京大学985工程项目和国家教育部重点项目的支持下，建成了我国第一个针对大型基础工程的BOTDR分布式光纤应变监测实验室，开展了一系列的实验研究，并成功地将这一技术应用到了地下隧道等工程的实际监测中，取得了一批重要成果，为将这一技术全面应用于我国各类大型基础工程和地质工程的质量监测和健康诊断提供了坚实基础。 2.BOTDR分布式光纤传感技术的原理 布里渊散射同时受应变和温度的影响，当光纤沿线的温度发生变化或者存在轴向应变时，光纤中的背向布里渊散射光的频率将发生漂移，频率的漂移量与光纤应变和温度的变化呈良好的线性关系，因此通过测量光纤中的背向自然布里渊散射光的频率漂移量(νB)就可 ?本项目研究受国家杰出青年科学基金项目（40225006）和国家教育部重点项目资助项目（01086）
分布式光纤传感技术的分类与对比
分布式光纤传感技术的分类与对比 分布式光纤传感技术（DOFS）采用光纤做传感介质和传输信号介质，通过测量光纤中特定散射光的信号来反映光纤自身或所处环境的应变或温度的变化，一根光纤可实现成百上千传感点的分布式传感测量。因光纤具有尺寸小、重量轻、耐腐蚀、抗辐射抗电磁干扰、方便布设等特点，分布式光纤传感技术具有传统传感器不可比拟的优势，吸引了不少科研工作者和众多厂家的关注，目前，国内外都推出了商用化的分布式光纤传感测量系统，广泛应用到各个领域。 分布式光纤传感技术从光纤中光的散射原理可分为以下三类：基于瑞利散射的分布式光纤传感技术，基于布里渊散射的分布式光纤传感技术和基于拉曼散射的分布式光纤传感技术；从光学信号测试方法的不同又可分为两类：光时域反射技术（OTDR）和光频域反射技术（OFDR）。三种散射原理的设备都有OTDR技术的仪器和OFDR技术的仪器，各类原理的分布式光纤传感仪的对比见下表。 分布式光纤传感仪的分类与对比
目前应用于光通信领域的OTDR技术非常成熟，携式产品国内外厂家众多，产品在光纤链路诊断中广泛应用，但受限于探测光脉冲宽度，其空间分辨率与动态范围有限，测试中有盲区，难以满足较大动态范围和较高空间分辨率的应用领域，不适用于高精度测量领域。OFDR技术恰好弥补了上述不足，具有超高空间分辨率，非常适合高精度高分辨率领域的测量。如在光通信领域，可在待测光纤链路中轻松查找判别宏弯、接头、连接点和断点，精准测量插损、回损。技术同时还可以应用于温度与应变传感领域，在分布式温度应变测量中，空间分辨率可达1mm，传感精度最高可达±0.1℃\±1.0με。 拉曼散射主要用于测温，一般测量范围在10公里，分辨率在米量级，测温精度在1℃;布里渊散射的BOTDR、BOTDA及BOFDA技术，测量范围可达到几十公里，空间分辨率约0.5m，其中BOFDA技术最高能实现2cm的空间分辨率，但布里渊散射原理的系统整个装置非常复杂，测量时间较长。
分布式光纤传感系统测试平台的设计
分布式光纤传感系统测试平台的设计 分布式光纤传感技术通过检测沿光纤每个位置的散射光强度,来推算出光纤上的温度和应变分布。布里渊光时域分析仪(Brilouin Optical Time Domain Analysis:BOTDA)是一种分布式光纤传感技术,它适用于长距离、大范围和高灵敏度的分布式光纤传感系统,能对于光纤上的温度和应变实现准确实时的测量,有重要的研究意义和实用价值。本论文研究了光纤中的布里渊散射效应和BOTDA 的传感原理,基于BOTDA传感系统的信号特点,设计了一种分布式光纤传感系统测试平台。 本论文的主要研究内容和创新点如下:(1)基于FPGA的分布式光纤传感系统测试平台的设计本文在研究了BOTDA传感系统基础上,提出了基于FPGA的分布式光纤传感系统的实现方案。针对方案中对各个模块的功能需求,进行了FPGA,高速ADC和扫频模块等硬件电路设计以及基于FPGA的系统逻辑设计。并应用仿真软件对各个模块进行了仿真,结果表明,设计的方案可以实现传感信号的有效测量。 (2)一种基于频率合成技术的频率扫描实现方案根据系统对频率和步长可调的频率扫描的需求,提出了应用宽带RF频率合成芯片LMX2594来产生扫频信号的方案,并进行了硬件电路的设计。LMX2594可在不使用内部加倍器的情况下生成10MHz至15GHz范围内的任何频率,内置的32位N分频器可满足频率步进为1Hz 的扫频输出,且可通过编程控制其输出的频率及步进长度,为布里渊散射光谱特征提取算法的实现提供了硬件支持。结果表明,设计的频率扫描模块可满足系统的需求。 (3)基于半间隔搜索扫频法的布里渊散射光谱特征提取算法的实现方案由于
分布式光纤温度传感系统重点
浅谈光纤感温系统的应用 近年来，随着高速公路正成为社会经济发展的命脉，公路隧道更是其咽喉重地，我国道路交通建设不断加快，公路隧道逐渐增多，隧道火灾事故也逐步增多，做好隧道灭火救援工作,对于构建和谐社会，具有十分重要的意义。 公路隧道呈管状结构，其空间具有密闭性与特殊性。隧道内一旦发生行车火灾安全事故,产生的热量与烟雾不易散发，并且急剧积累，会严重威胁隧道的行车安全与畅通运营，使隧道结构与设施受到损伤。高速公路隧道由于车流量大、车速高的特性.其火灾事故产生的危害比一般路段的火灾要严重得多。 光纤温度传感器系统是近年来发展起来，用于实时测量空间温度场的系统。系统中光纤即是传输媒体又是传感媒体，利用光纤背向拉曼散射的温度效应，光纤所处的空间温度场调制了光纤是背向拉曼散射的强度（反斯托克斯背向拉曼散射光的强度，经波分复用器和光电检测器采集带有温度信息的背向拉曼散射光信号，经信号处理可以解调出实时的温度信息。在时域中，利用光时域反射技术（Optical Time Domain Reflection，根据光在光纤中的传输速率和背向拉曼散射光的回波时间，可以对温度点进行定位。 光纤感温系统得到了大量的应用，但由于自身存在一定的局限性，导致了长度超 过4000米的隧道无法使用这种先进的火灾报警系统。基于老式感温系统的局限性 现今对其进行一系列的改进，产生了分布式光纤感温系统。 分布式光纤温度传感系统（DTS依据光纤的光时域反射（OTDR和光纤背向Raman 散射的温度效应，探测出沿着光纤不同位置的温度的变化，实现真正分布式的测量。在系统中光纤既是传输媒体又是传感媒体，光纤所处空间各点的温度场调制了光纤中的背向Raman散射光的强度仮tokes背向Raman散射光的强度，经波分复用器和光电检测器采集了空间温度信息，环境下由工程师调试编程来完成。设定区域长度及报警点,系统校订均可采用Windows 2000版本软件来完成。
基于布里渊散射光的分布式光纤传感技术
基于布里渊散射的分布式光纤传感技术 1.引言 光导纤维在通信系统中的应用早已为人熟知，如今全世界高速便捷的网络也离不开光纤的发展。除了光纤通信以外，还有另一类针对光纤的重要研究方向——光纤传感。 与传统的电类传感器相比，光纤传感器具有抗电磁干扰、重量轻、易于嵌入、成本低等优点。这些优势使得光纤传感技术在实际工程中的应用拥有非常乐观的前景。例如，在一些环境恶劣，如强磁场的检测条件下，电类传感器可能无法正常工作或者损坏，但是光纤传感器受到外界影响较小，仍能保持稳定的工作状态。在对建筑结构的检测中，光纤传感器同样是较佳的选择。由于光纤本身重量轻且纤细，可以方便地分布在建筑结构中，对结构的各个部位进行全面的监控。另外光纤嵌入后不会对结构造成较大的影响，使结构保持其原有的状态。 分布式光纤传感是光纤传感技术中的一个研究热点，其优势是能够测试光纤沿线各点处的传感参量。虽然一般情况下其测试精度不如高精度的点式传感器，如光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)，但是其利用光纤的特性真正实现了“全分布式”的传感。前述对建筑结构的检测，即是分布式光纤传感的一个重要应用。 基于布里渊散射的分布式传感技术是分布式传感中的研究热点，因其能够对应变与温度实现较高精度的单参量或双参量同时测量，在实际应用中亦有广阔的前景。本文仅关注其中的一种——布里渊光时域反射技术(Brillouin Optical Time-domain Reflectometry, BOTDR)。布里渊光时域反射技术是最简单的一种形式，其空间分辨率、测量精度等不如其他更为复杂的布里渊传感技术，但是拥有更简单的系统结构和单端测量的优势，且其性能指标已经可以满足许多应用的要求，因此在实际应用中更受欢迎。 由于布里渊光时域反射技术测量的是自发布里渊散射，其信号微弱，信噪比较低。并且其各项性能指标之间相互制约，难以得到同时提高，例如空间分辨率和频移精度之间存在的权衡问题。为了试图解决或改善这些问题，本文对其重要的性能参数进行详尽分析，将对布里渊光时域反射技术中的信号处理技术和编码
分布式光纤传感技术
分布式光纤传感技术 瑞利散射是入射光与介质中的微观粒子发生弹性碰撞引起的，散射光的频率与入射光的频率相同。一般采用光时域反射（OTDR ）结构来实现被测量的空间定位。瑞利散射的原理是沿光纤传播的光在纤芯内各点都会有损耗，一部分光沿着与光纤传播方向成180°的方向散射，返回光源。利用分析光纤中后向散射光的方法测量因散射、吸收等原因产生的光纤传输损耗和各种结构缺陷引起的结构性损耗，通过显示损耗与光纤长度的关系来检测外界信号场分布于光纤上的扰动信息。由于瑞利散射属于本征损耗，因此可以作为应变场检测参量的信息载体，提供沿光路全程的单值连续检测信号。 利用光时域反射（OTDR ）原理来实现对空间分布的温度的测量。当窄带光脉冲被注入到光纤中去时，该系统通过测后向散射光强随时间变化的关系来检查光纤的连续性并测出其衰减。入射光经背向散射返回到光纤入射端所需的时间为t ，激光脉冲在光纤中所走过的路程为2L=v*t 。v 是光在光纤中传播的速度，v=c/n ，c 为真空中的光速，n 为光纤的折射率。在t 时刻测量的是离光纤入射端距离为L 处局域的背向散射光。采用OTDR 技术，可以确定光纤处的损耗，光纤故障点、断点的位置。 可以看出，在光纤背向散射谱分布图中，激发线0v 两侧的频谱是成对出现的。在低频一侧频率为0v v -?的散射光为斯托克斯光Stokes ；在高频的一侧频率为0v v +?的散射光为反斯托克斯光anti-Stoke ，它们同时包含在拉曼散射和布里渊散射谱中。 光纤中的散射光谱 1. 基于瑞利散射的光纤传感技术原理 瑞利散射主要特点有： (1) 瑞利散射属于弹性散射，不改变光波的频率，即瑞利散射光与入射光具有相同的波长。 (2) 散射光强与入射光波长的四次方成反比，即 上式表明，入射光的波长越长，瑞利散射光的强度越小。 (3) 散射光强随观察方向而变，在不同的观察方向上，散射光强不同，可表示为 其中，θ为入射光方向与散射光方向的夹角；0I 是/2θπ=方向上的散射光强。 (4) 散射光具有偏振性，其偏振程度取决于散射光与入射光的夹角。自然光入射到各项同性介质中，在垂直于入射方向上的散射光是线偏振光，在原入射光及其反方向上，散射光仍是自然光，在其他方向上是部分偏振光，偏振程度与θ角有关。 对于光纤中脉宽为W 的脉冲光，它的瑞利散射功率P R 为 当光波在光纤中向前传输时，会在光纤沿线不断产生背向的瑞利散射光，根据式(3-3)可知，这些散射光的功率与引起散射的光波功率成正比。由于光纤中存在损耗，光波在光纤中传播时能量会不断衰减，因此光纤中不同位置处产生的瑞利散射信号便携带有光纤沿线的损耗信息。另外，由于瑞利散射发生时会保持散射前光波的偏振态，所以瑞利散射信号同时包含光波偏振态的信息。因此，当瑞利散射光返回到光纤入射端后，通过检测瑞利散射信号的功率、偏振态等信息，可对 外部因素作用后光纤中出现的缺陷等现象进行探测，从而实现对作用在光纤上的相关参量如压力、弯曲等的传感。 2. 光时域反射（OTDR ）技术 2.1 OTDR 原理 光时域反射技术用于检测光纤的损耗特性，它是检测光纤衰减、断裂和进 行空间故障定位的有力手段，同时也是全分布光纤传感技术的基础。