第一章

分布式光纖傳感

分布式光纖傳感技術與應用目

錄/CONTENTS1.1

光纖傳感技術1.2

分布式光纖傳感技術1.3

分布式光纖傳感技術比較

分布式光纖傳感技術與應用1.1光纖傳感技術1.1光纖傳感技術通信技術、計算機技術以及傳感技術是信息技術三大基礎，其中傳感技術是獲得信息的最前端，是完成各種數(shù)據(jù)采集的重要工具。光纖傳感技術伴隨著光纖通信技術的高速發(fā)展而發(fā)展起來的，光纖為傳輸介質(zhì)，光波為信息載體，

感知并傳遞外界物理量變化的新技術。當光波在光纖中傳輸時，其功率、相位、波長、偏振態(tài)等參數(shù)會

受外界環(huán)境影響而發(fā)生改變，通過檢測光波參數(shù)的變化，獲得外界待測物理量的信息。1.1光纖傳感技術1.1光纖傳感技術光纖傳感器按照傳感范圍及原理可以分為點式、準分布式及分布式三大類。點式光纖傳感器是指光波在光纖中傳播至單點

傳感單元處，受外部因素的影響而改變，但是除傳

感單元之外的光纖只作為傳輸媒介，不具有傳感的

功

能

。敏感單元光源信號檢測與處理(a)單點式1.1光纖傳感技術1.1光纖傳感技術準分布式光纖傳感器是指采用時分復用、頻分復用等復用技術，將多個點式傳感元件組合形成傳

感陣列。準分布式光纖傳感器能夠拾取傳感器陣列

位置處的被檢測的物理量，傳感器位置之外的光纖

僅具有信息傳輸功能，而不具備感知功能。準分布

式光纖傳感器在空間測量范圍、傳感器容量等方面

性能優(yōu)于點式傳感器，適合應用在較大型的、多個

重點檢測位置的場合。敏感單元陣列光源信號檢測與處理(b)準分布式1.1光纖傳感技術1.1光纖傳感技術分布式光纖傳感器是用于連續(xù)傳感、測量沿光纖長度方向分布的被測物理量的一種傳感器。分布

式光纖傳感器中的光纖能夠集傳感、傳輸功能于一

體，不僅能夠完成在整條光纖長度上的分布式環(huán)境參量的空間、時間多維分布狀態(tài)信息的連續(xù)測量，

還能將分布式的測量信息實時、無損地傳輸?shù)叫畔?/p>

處理中心。光源信號檢測與處理(c)全分布式傳感光纖0優(yōu)點抗干擾分布式光纖傳感器的主體是光纖，具備了光纖特有的抗干擾的優(yōu)點。時空分布式檢測能夠不間斷地獲取傳感光纖周圍環(huán)境內(nèi)的物理量信息。復雜度低一個通道就能進行信號檢測、采集和處理，簡化了光路結構和信號采集

與處理單元。便于融合分布式光纖傳感器和現(xiàn)行的光纖檢測網(wǎng)普遍采用單模光纖。因此，分布

式光纖傳感器與現(xiàn)行光纖檢測網(wǎng)具有很好的兼容性，無需替換光纜就可

以進行檢測。1.1光纖傳感技術1.1光纖傳感技術分布式光纖傳感器作為現(xiàn)代傳感技術領域中的一個重要分支，具有其他類型傳感器無法比擬的優(yōu)勢：原理干涉原理后向散射技術類型MichelsonMach-ZehnderSagnac復合結構拉曼散射布里淵散射瑞利散射測量信號振動振動振動振動溫度溫度、應變聲波、振動、溫

度、應變優(yōu)點靈敏度高靈敏度高靈敏度高靈敏度高體積小、抗干擾

性強、測量精度

高可溫度和應變同

時測量、精度高、

空間分辨率好能量大便于信息

檢測、定位準確、

信號算法簡單缺點易受干擾、檢測范圍短、定

位算法復雜、

難以同時測量多點擾動易受干擾、檢

測范圍短、定位算法復雜易受干擾、檢測范圍短、定

位算法復雜易受干擾、檢測范圍短、定

位算法復雜需要大功率光源、

返回的信號較弱，

不便于測量需要激光器輸出穩(wěn)定、自發(fā)布里

淵散射微弱，測

量困難靈敏度較低、信

噪比較低、對激

光器性能要求高1.1光纖傳感技術1.1光纖傳感技術分布式光纖傳感技術可分為兩類：干涉技術和后向散射技術。1.2分布式光纖傳感技術1.2.1基于干涉原理的分布式光纖傳感技術干涉儀的種類有Michelson

光纖干涉儀，

Mach-Zehnder

光纖干涉儀，Sagnac

光纖干涉儀以及復合結構干涉儀等，基于上述不同干涉儀可形成干涉式分布光纖傳感器，這類分布式光纖傳感器具有高靈

敏度的優(yōu)點，但存在著易受干擾、檢測范圍短，定位算法復雜等問題。1.2分布式光纖傳感技術1.2.1.1基于Michelson

干涉儀的分布式光纖傳感技術Michelson

干涉儀主要由3dB耦合器和兩個反射鏡構成，分束后的激光通過反射鏡的反射產(chǎn)生干涉效應。通過光強的變化信息的解調(diào)完成擾動事件的檢測。激光器耦合器檢測單元反射鏡信號臂參考臂反射鏡基于Michelson干涉儀的分布式光纖傳感技術的原理圖1.2分布式光纖傳感技術1.2.1.2基于Mach-Zehnder

干涉儀的分布式光纖傳感技術Mach-Zehnder

干涉儀通過兩個3dB耦合器構成Mach-Zehnder

結構實現(xiàn)干涉檢測。當干涉儀的信號臂有振動信號時，相應位置處的光纖產(chǎn)生形變，引起的相位發(fā)生改變，同時參考臂保持不變，干涉條紋發(fā)生改變，從而完成振動信號的檢測。參考臂基于Mach-Zehnder

干涉儀的分布式光纖傳感技術的原理圖信號臂耦合器檢測單元耦合器激光器激光器耦合器R1R2檢測單元擾動事件1.2分布式光纖傳感技術1.2.1.3基于Sagnac

干涉儀的分布式光纖傳感技術Sagnac

干涉儀由耦合器和光纖環(huán)構成。由于分束后的激光從3dB

耦合器到達擾動事件點位置的時間不同，再相遇時，在3dB

耦合器處產(chǎn)生相位差，在干涉信號中解調(diào)出相位差即可獲取外界振動信息?；赟agnac

干涉儀的分布式光纖傳感技術的原理圖1.2分布式光纖傳感技術1.2.1.4復合型干涉儀的分布式光纖傳感技術單一干涉型光纖傳感器具有結構簡單、靈敏度較高的優(yōu)點但同時存在定位困難、易受干擾等缺陷，

為了更好的發(fā)揮干涉型光纖傳感器的優(yōu)點，出現(xiàn)了雙Mach-Zehnder、雙Sagnac、Sagnac-Machelson、Sagnac-Mach-Zehnder、

雙Machelson

等復合型結構。探測器2耦合器

耦合器

激光器耦合器A耦合器B雙Mach-Zehnder

光纖干涉儀原理圖探測器1擾動信號1.2分布式光纖傳感技術1.2.2基于后向散射技術的分布式光纖傳感技術光纖中存在拉曼散射(Raman

Scattering)、布里淵(BrillouinScattering)、瑞利散射(RayleighScattering)。分類特點拉曼散射頻率變化主要是由入射光和光纖中的光學聲子與相互作用引起的瑞利散射光纖材料分布不均勻?qū)е抡凵渎什痪鶆蛞穑?/p>

是彈性散射布里淵散射入射光與光纖中的聲學聲子相互作用產(chǎn)生的

非彈性散射引起AmStokescomponentsStokes

componentsRayleighBrillouin

BrillouinRaman

Raman入。

Wavelength光纖中激發(fā)光與散射光的頻譜分布散射用途拉曼散射拉曼散射光強由外界物理場的溫度變化決定，根據(jù)此原理拉曼散射可以

用來分布式測量外界溫度。布里淵散射溫度或者應變可以引起布里淵散射的光強和頻移的變化，檢測布里淵

散射頻移可實現(xiàn)由擾動引起的應力物理場測量。瑞利散射光纖中后向瑞利散射光強度和位相的變化可實現(xiàn)光纖損耗和應變的分

布式測量。1.2分布式光纖傳感技術1.2.2基于后向散射技術的分布式光纖傳感技術三種散射原理的用途：1.2分布式光纖傳感技術1.2.2.1基于拉曼散射技術的分布式溫度傳感技術當激光注入到光纖中，與光纖中的分子相互作用，發(fā)射、吸收聲子轉(zhuǎn)化為波長較長、波長較短的散射光的現(xiàn)象，稱為拉曼散射，其包含，斯托克斯光(Stokes)、

反斯托克斯光(anti-Stokes)兩種散射光。拉曼散射技術用于分布式溫度傳感技術，進行輸送管道泄漏的實時檢測采集主機

測溫光纖Anbslokescomponent

soeeoRayeigh采集卡

……

?

AntiStokes光………→

Stokes

光Brillouin

BrillouinRamanλ。

Wavelength波分復用

器光電

探測器參考光纖電子溫度

傳感器同步觸發(fā)信號處理主機高速窄帶脈

沖光源Raman1.2分布式光纖傳感技術1.2.2.2基于布里淵散射技術的分布式光纖傳感技術基于布里淵散射的分布式光纖傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)溫度、應變的同時檢測，基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術測量精度高、單次測量信息獲取效率高，科研人員對布里淵技術進行了廣泛、深入的研究。當前，基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術按照工作原理可以分為以下四種類：布里淵光時域反

射技術(BOTDR),布里淵光時域分析技術(BOTDA),布里淵光頻域分析技術(BOFDA)以及布里

淵相關連續(xù)波技術(BOCDA)。(1)布里淵光時域反射技術光脈沖信號注入傳感光纖，檢測后向自發(fā)布里淵散射光的時間信息、頻移以及功率信息，其中后

向布里淵散射的時間信息提供空間位置信息，后向

布里淵散射的頻移和功率信號提供環(huán)境對溫度和應

變的信息。BOTDR

技術只需要在傳感光纖一端注入光脈

沖就可以實現(xiàn)溫度及應變的分布式測量，具有光路

簡易、便于應用等優(yōu)點，但光纖中后向自發(fā)布里淵

散射光信號比較微弱，導致解調(diào)信號的信噪比較低。1.2分布式光纖傳感技術1.2.2.2基于布里淵散射技術的分布式光纖傳感技術光脈沖激光器傳感光纖t布里淵光時域反射原理圖白發(fā)布里淵散射光功率信號檢測與處理(2)布里淵光時域分析技術該技術主要利用了受激布里淵放大特性，激光

器1、激光器2分別從傳感光纖兩端注入并相向傳播，其中激光器1是頻率為v?的脈沖泵浦光，激光

器2是頻率為v?

的連續(xù)探測光，并且兩個激光器的

頻率差v?-v?等于布里淵頻移vB時，強的脈沖泵

浦光放大弱的連續(xù)光信號，受激布里淵放大得到實

現(xiàn)。當傳感光纖上的某一位置受到外界環(huán)境作用時，該位置處的布里淵頻移將從vB增加到vB

+

△v,從而引起傳感光纖上的該位置處的布里淵散射信號的

突然衰減。如果連續(xù)探測光與脈沖泵浦光之間的頻

率差等于vB,就能接收到該位置處的布里淵散射

信

號

。光脈沖探測光激光器1

激光器2傳感光纖布里淵增益型布里淵損耗型t信號檢測與處理1.2分布式光纖傳感技術1.2.2.2基于布里淵散射技術的分布式光纖傳感技術BOTDA原理圖探測光功率(3)布里淵光頻域分析技術將頻率不同的連續(xù)光注入傳感光纖兩端，并且調(diào)諧探測光vs與泵浦光vp的頻差△v=Vs-vp

等于

布里淵頻移vB。為了得到傳感光纖復合基帶傳輸

函數(shù)，首先使用可變頻率fm的信號源調(diào)制探測光

的幅值，然后對于每一個調(diào)制信號頻率fm,同時

檢測注入光纖的探測光Is(L)和泵浦光強度Ip(L,t),

利用網(wǎng)絡分析儀獲取傳感光纖的基帶傳輸函數(shù)，最

后通過頻域分析法進行空間定位。直流光LO電光調(diào)制器

探測激光器260L光電探測器網(wǎng)絡分析儀1.2分布式光纖傳感技術1.2.2.2基于布里淵散射技術的分布式光纖傳感技術光頻域分析技術原理圖泵浦激光器一傳感光纖I,0信號源dm相關位置非相關位置、泵

浦

光

傳

感

光

纖VB同步調(diào)制V泵浦光

探測光異步調(diào)制

非相關位置V泵浦光

探測光

非相關位置處的布里淵增益譜1.2分布式光纖傳感技術1.2.2.2基于布里淵散射技術的分布式光纖傳感技術(4)布里淵相關連續(xù)波技術在布里淵相關連續(xù)波技術中，正弦調(diào)制泵浦光

與探測光的頻率，沿傳感光纖長度方向產(chǎn)生周期性

的相關峰，相鄰相關峰之間的間距可以表達為：式

中

：fm

是調(diào)制頻率，

vg是光波的群速度。布里淵相關連續(xù)波方案原理圖相關位置處的布里淵增益譜相關位置探測光dmV1.2分布式光纖傳感技術1.2.2.3基于瑞利散射技術的分布式光纖傳感技術當外界物理場環(huán)境(如聲波、振動、溫度、應變等)以及光纖線路的損耗、連接點和斷點作用在傳感光纖上某位置時，傳感光纖中的彈光效應和熱光效應導致該位置處的傳感光纖散射單元長度和折射率

發(fā)生了改變，從而會引起該位置處的后向瑞利散射光相位發(fā)生改變，傳感光纖瑞利散射光的相位發(fā)生變化

導致傳輸?shù)教綔y器的瑞利散射光相位差發(fā)生變化，引起后向瑞利散射光強變化。因此，在注入端檢測后

向瑞利散射的光強就可以得到傳感光纖所處外界環(huán)境的信息，并且利用入射脈沖光與入射端檢測到的后

向瑞利散射光的時間差能夠?qū)崿F(xiàn)位置信息的測量。1.2分布式光纖傳感技術1.2.2.3基于瑞利散射技術的分布式光纖傳感技術(1)OTDR

技術OTDR

技術采用大功率的光脈沖注入傳感光纖，然后在同一端直接檢測沿光纖軸向向后傳輸?shù)娜鹄⑸涔夤β?。光時域反射計技術經(jīng)常應用于光纖衰減、連接損耗、破裂點和裂紋的測量。脈沖光激光器

環(huán)形器傳感光纖探測器OTDR

原理圖1.2分布式光纖傳感技術1.2.2.3基于瑞利散射技術的分布式光纖傳感技術(2)φ-OTDR

技術同時檢測應變和振動的φ-OTDR

方案，通過激光器的掃頻實現(xiàn)應變的檢測，固定某一頻率實現(xiàn)振動

信號的檢測，在時間序列內(nèi)的OTDR光強信號對光纖位置逐點進行快速傅里葉變換(FFT),得到光纖位

置處的振動信號的頻譜，在9km

的傳感光纖上實現(xiàn)了2m

的空間分辨率和10nε

的應變測試精度。PCLaser

EOMFilter

EDFAAOM

CIRMicrowaveSourceDAQ

APD~2km

~5m

~5kmFUTPZT1φ-OTDR

原理圖PulseGenerator~2km

60m↑PZT21.2分布式光纖傳感技術1.2.2.3基于瑞利散射技術的分布式光纖傳感技術(3)COTDR

技術COTDR

采用穩(wěn)定性高的強相干光源，檢測系統(tǒng)本振光與后向瑞利散射光的干涉信號實現(xiàn)分布式測量。穩(wěn)定性高的窄線寬激光器發(fā)出連續(xù)光，耦合器將激光分成兩束，

一束經(jīng)過聲光調(diào)制器(AOM)調(diào)制

脈沖光序列，脈沖光序列通過一個光環(huán)形器后注入到被測光纖，另一束用作本振光。脈沖光序列在被測

光纖中產(chǎn)生后向瑞利散射信號，后向瑞利散射信號通過光環(huán)形器進入一個耦合器與本振光形成外差相干，

通過探測器檢測干涉信號，解調(diào)出中頻信號的功率，完成分布式傳感測試。脈沖光AOM傳感光纖耦合器穩(wěn)定性高的窄線寬激光器探測器COTDR

原理圖耦合器1.2分布式光纖傳感技術1.2.2.3基于瑞利散射技術的分布式光纖傳感技術(3)COTDR

技術2016年，電子科技大學的YujiangRao團隊提出了基于90°光混頻器的IQ

零差解調(diào)檢測的COTDR方案，本振光與后向瑞利散射光分別注入90°光混頻器，生成精確的IQ信號，此方法有利于消除偏振衰落帶來

的影響。使用PZT模擬實現(xiàn)了動態(tài)應變實驗測試，實現(xiàn)了振動信號的幅值、頻率的解調(diào)以及不同頻率信

號的還原，實現(xiàn)了傳感范圍為12.56km,

空間分辨率為10m

的系統(tǒng)測試?！xperimental

data—

ftingcurve6

8Time(ms)

Frequency(HZ)200400

600Frequency(Hz)SMFPZT160m)10m1%AWGPCADCH

Computer2不同頻率的振動信號解調(diào)結果圖振動信號時頻域解調(diào)結果圖400

Hz500

Hz600

Hz800

1000基于I/Q零差解調(diào)檢測的

COTDR

原理結構圖62024-0

232100Amp

ll

tude

(A.U.)Phase

dimerence

(rad)AFS

Hybrid

PDLaser

19幾

Cir12.4km)99%AOM1.2分布式光纖傳感技術1.2.2.3基于瑞利散射技術的分布式光纖傳感技術(3)COTDR

技術2017年，中國科學院上海光學精密機械研究所的QingYe、HaiwenCai

團隊提出了基于相位解調(diào)雙脈沖的COTDR方案，為了消除干涉衰落導致的假信號，設計了時延可調(diào)的邁克爾遜干涉，將聲光調(diào)制器調(diào)制后的脈沖光變化為0/π相位交替變化的雙脈沖，分別接受奇數(shù)偶序列實現(xiàn)擾動信號的解調(diào)，實現(xiàn)

了正弦、方波以及三角波信號解調(diào)，信噪比達到20dB。采用時域排序多頻光源技術在9.6km

的傳感范10kHz

synchronoussignal[pulsegenerator[FMocAOM

OcirculatorDAQ

computerPZT:piezoelectricceramictransducer;ISO:isolator;OC:optical

coupler;FM:Faraday

rotation

mirror;DB-PD:double

balanced

photo

diode600m10

20

30

Time/ms600m0

10

20

30Time/msTime/msCOTDR

原理結構圖

COTDR

實驗結果圍內(nèi)實現(xiàn)了高達0.5MHz

的擾動信號的解調(diào)。F

fiber

]stretcherAp/rad

Ap/adPZT]at

4000mPZTat

1600mfiber

oc

laser2

0-2-4L0at

600mAp

/radPosition/m20

kHz)isol→DB-PD1.2分布式光纖傳感技術1.2.2.3基于瑞利散射技術的分布式光纖傳感技術(3)COTDR

技術2017年，南京大學的XupingZhang

團隊提出了基于外差調(diào)制的COTDR方案，將高干涉激光模塊

發(fā)出的光一分為二，98%的激光被聲光調(diào)制器移頻調(diào)制為脈沖光注入傳感光纖，從傳感光纖返回的后向

瑞利散射信號與另一路的2%激光在耦合器處發(fā)生干涉，干涉光進入平衡探測器進行光電轉(zhuǎn)換。在此方案

中，他們提出了一種基于光纖上兩位置處的時間差的擾動信號定位方案，并使用兩個間隔0.3m的

PZT

模

擬兩個同時發(fā)生的擾動信號源，Vs=sin(27*80t),Vs,=sin(27*45t)+sin(2z*90t),

實驗結果顯示系統(tǒng)能CIRFUTAOM98%triggerAWG-BPDDAQ2%50:50right

MPφ2.leftAMP0.3m0-OTDR1700m

10m10mPZT1PZT20.00工00v01001545

50

55

60

65

70Frequency(Hz)COTDR

原理結構圖

COTDR

實驗結構圖

COTDR

實驗結果夠很好的完成擾動信號的區(qū)分。Highcoherent

OC?

laser

moduleAudio

φ1

interfacepulseao)(A)90

95

100Vs80

8540751.2分布式光纖傳感技術1.2.2.3基于瑞利散射技術的分布式光纖傳感技術(3)COTDR

技術在上述的諸多COTDR

方案里，

一般都需要采用頻率穩(wěn)定性好且線寬窄的激光器作為光源，這是因

為自外差過程是后向瑞利散射光與本振光的卷積，激光器線寬決定中頻信號帶寬，中頻信號帶寬越窄越

有利消除帶外信號的干擾。激光器頻率穩(wěn)定性在COTDR系統(tǒng)中也是非常重要的，探測光信號在被測光

纖中往返需要一定的時間，在此時間內(nèi)本振光的頻率發(fā)生了改變，導致外差中頻信號發(fā)生改變，如果頻率改變較大的話，中頻信號跳到帶通濾波器通帶以外，導致探測光信號的丟失，影響系統(tǒng)的測量精度。1.2分布式光纖傳感技術1.2.2.3基于瑞利散射技術的分布式光纖傳感技術(4)POTDR

技術POTDR

技術是一種測量光背向瑞利散射信號中偏振信息的技術，可用于測量沿光纖長度方向的光纖中的偏振態(tài)分布，從而完成分布式光纖傳感檢測。目前POTDR

技術采用線偏振光測量方法，為了保

證最大注入光纖光功率，POTDR

系統(tǒng)中需要偏振控制器，為了完成某偏振態(tài)的光功率的檢測，系統(tǒng)中

一般需要起偏器和檢偏器。數(shù)據(jù)采集及顯示

光探測器

數(shù)據(jù)采集及顯示

光探測器

檢偏器POTDR

原理圖偏振控制器2偏振器脈沖激光器環(huán)形器3脈沖激光器測量光纖2環(huán)形器31起振器偏振控制器測量光纖1.2分布式光纖傳感技術1.2.3并聯(lián)復合型布式光纖傳感技術并聯(lián)復合型分布式光纖傳感技術是指將Michelson、Mach-Zehnder、Sagnac等光纖干涉儀與φ-OTDR

系統(tǒng)并聯(lián)連接結合的技術，兩套系統(tǒng)獨立運行，其中光纖干涉儀負責實現(xiàn)外界擾動事件信息的時頻信息(幅值、相位、頻率等相關信息)的解調(diào)，φ-OTDR系統(tǒng)完成位置信息的解調(diào)。1.2分布式光纖傳感技術1.2.3并聯(lián)復合型布式光纖傳感技術2014年，重慶大學的肖向輝等人為了實現(xiàn)高頻響和高空間分辨率的同時測量，提出了基于Michelson

干涉技術與φ-OTDR

技術相結合的的分布式測量方法，,Michelson

干涉儀負責實現(xiàn)高頻率信號的還原，后向瑞利散射信號負責實現(xiàn)振動信號的定位，此系統(tǒng)分別為Michelson

干涉儀和φ-

OTDR系統(tǒng)提供了不同光波長的連續(xù)光和脈沖光。在本方案的實驗結果中，系統(tǒng)完成了最大頻響為~8MHz、

空間分辨率~2m的振動信號還原。(a)

-20

ns

(b)0.0020.0010.0000.002-0.001700

0200

400600

8001000Fiber

Length(m)A.+AFHG(.CrttePhasesensitive

oTDR冊Wy

冊0.012—0.0100.008

0.006-0.004-550600650FiberLength(m)POTDR

原理圖POTDR結果Voltage

(V)Voltage

(V)Averagingtimes:50Cople

A0.000-5001.2分布式光纖傳感技術1.2.3并聯(lián)復合型布式光纖傳感技術2016年，北京交通大學的ShengLiang

等人提出了相位敏感光時域反射計(φ-OTDR)和邁克爾

遜干涉儀(MI)

相結合的方案以達到降低報警率(NAR),φ-OTDR

和MI

采用波分復用的方式進行工作，φ-OTDR提供位置信息，

MI

干涉儀進行頻域分析，通過φ-OTDR

和MI同時檢測到實際干

擾時，才會提供真實的報警。通過實驗發(fā)現(xiàn)，NAR可以通過單個OTDR從13.5%降低到1.2%,

檢測概率高達92%。1530

nmCWLaser-1530

nmCouplerPD1FBG2CWLaser-AOM-1550.5nmPD2Data

Acquisition

ComputerLegendMichelsonInterferometerφ-OTDRElectric

Signal

processingφ-OTDR

和MI

結合的結構示意圖Reterence

fiberFBG1WDM

Sensingfiberntensity1530nmDisturbanceDfferenceLengthEDFA1.2分布式光纖傳感技術1.2.3并聯(lián)復合型布式光纖傳感技術2016年，天津大學的YiShi利用兩個不同波長的窄線寬激光器作為φ-OTDR

和Mach-Zehnder

干涉儀(MZI)的光源，組成反射儀和干涉儀，φ-OTDR完成事件的定位功能，MZI實現(xiàn)事件頻率的解調(diào)，

實現(xiàn)了1-50MHz的寬頻率的檢測，在2.5km的檢測范圍了實現(xiàn)了20m的空間分辨率的檢測。50:50Polarizaitoncontrdller2480m豐

1550.040nm-1550.332nmI2—EDFADetctgCir3SensingfbercontnlkrFBG11550.204nm

1993-IolabrCir.1

Cir2PZTIHz36Hz—

95Hz197Hz—360Hz—475Hz9

10Drivingvoltage(V)0.80

—180kHzθ-260kHz540kHz一分

—705kHz

—

894kHz—IIMHz-49MHz3

4

5

6789

10Drivingvoltage(V)φ-OTDR和MZI

結合的結構示意圖中-OTDR和MZI

結合的實驗結果圖8642

3Lasrl-OC1-AOM

DPN

-—Das2BalancedCondioringcircui1549.900nmLaser2Computer

SpetrographVbiration

amplitude(nm)ODAQIoc

-Vbirationamplitude(nm)Polarizaiton0C2

-OC3DAO22FBG20.4486571.2分布式光纖傳感技術1.2.4串聯(lián)復合型布式光纖傳感技術串聯(lián)復合型分布式光纖傳感技術是指Michelson、Mach-Zehnder、Sagnac

等光纖干涉儀與φ-OTDR

系統(tǒng)串聯(lián)連接結合的技術，協(xié)調(diào)運行，通過脈沖光的時間以及解調(diào)后向瑞利散射光的相位信息實現(xiàn)外界擾動事件位置和時頻信息(幅值、相位、頻率等相關信息)的檢測。EDFII90/10ASDYBLanurc-159=7mEDR2GonraharPhotodetectorBrage

gatng

-15507m-ImcOohhurbars

le280mJiligPZTMohd1.2分布式光纖傳感技術1.2.4串聯(lián)復合型布式光纖傳感技術2013年南安普頓大學的Masoudi等人利用非平衡MZI,在

1km

范圍內(nèi)實現(xiàn)了不同位置處不同頻率Di

)ceFropuesy(H)(b).s

0.50Distance(m)Time(ms)man的動態(tài)應變測量，最小可探測應變?yōu)?0ns,

并

在OFS2014前的φ-OTDR,傳感性能邁進了一大步。上報道了該系統(tǒng)對聲波的響應能力，相比之基于非平衡MZI

的φ-OTDR

原理圖因

因

因?qū)嶒灲Y果圖本LaerGain

Modulalion真言等LsolatoraDTigat1550moNbeMtiiardyleStrain(μ)0.5y1.2分布式光纖傳感技術1.2.4串聯(lián)復合型布式光纖傳感技術2015年，中國科學院半導體研究所FangGS

等人提出了基于相敏光時域反射計(φ-OTDR)

和相位生成載波解調(diào)算法的分布式光纖傳感方案，在系統(tǒng)的接收端引入了非平衡邁克爾遜干涉儀，含有擾動信

號的后向瑞利散射光將在邁克爾遜干涉儀里產(chǎn)生干涉，利用相位載波解調(diào)算法來解調(diào)出瑞利散射信號的

相位信息，通過試驗測試得到φ-OTDR

系統(tǒng)的噪聲電平約為3x103rad/Hz,信噪比約為30.45dB,并且

φ-OTDR

系統(tǒng)實現(xiàn)了10km

的傳感長度、6m空間分辨率的實時測量。FBG

Test

signal2kmISOEDFACirculatorPZTPtseGeneratoPDPGCSignal

DAQW

t

e

ft

e

r

ay

Trigger

inputmsdelarobwfinowe6mbeith1noise=3*103radsat(Ht)0.130.45dB0.011E-31E4+0Frequency(Hz)基于PGC的φ-OTDR原理圖100

200

300Amplitude[rad/sqrt(Hz)]實驗結果圖OC

)PZTLaser

HAOMIso5006km400PCFRM1.3分布式光纖傳感技術比較1.3分布式光纖傳感技術比較采用強度解調(diào)方式的OTDR、POTDR

雖然具有定位精確、信號算法簡單等優(yōu)點，但需要多次平均以提高信號的信噪比，導致系統(tǒng)的測量頻率響應和靈敏度都難以提高；采用相位解調(diào)方式的φ-OTDR只

是實現(xiàn)了探測光脈沖寬度范圍內(nèi)不同散射點之間的后向瑞利散射光干涉信號的相位解調(diào)，信號的信噪比

不高；采用相位解調(diào)方式的COTDR

采用本振光與后向瑞利散射光干涉，光路及解調(diào)算法較復雜且對激光

器性能要求較高?；谌鹄⑸涞姆植际焦饫w傳感技術比較表實現(xiàn)方案解調(diào)類型光源要求探測方法全信息解調(diào)OTDR強度寬帶直接否φ-OTDR相位窄線寬相干是POTDR強度窄線寬直接否COTDR相位窄線寬相干是1.3分布式光纖傳感技術比較1.3分布式光纖傳感技術比較Michelson

干涉儀(MI)和φ-OTDR并聯(lián)結合、Mach-Zehnder

干涉儀(MZI)和φ-OTDR并聯(lián)結合的技術，此技術兼?zhèn)淞烁缮鎯x與OTDR的優(yōu)點，但系統(tǒng)采用波分復用技術致使系統(tǒng)結構復雜，并且多事

件發(fā)生時，事件的頻率、幅值等信息無法與位置相對應；非平衡MZI

和φ-OTDR

串聯(lián)結合實現(xiàn)了后向瑞利散射信息的干涉，此技術采用單一光源，光路系統(tǒng)簡單，但具有易受環(huán)境影響、后向瑞利散射偏振影響等問題；Michelson

干涉儀(MI)和φ-OTDR串聯(lián)結合，該系統(tǒng)受制相位生成載波解調(diào)(PhaseGenerateCarrier,PGC)算法局限性，動態(tài)范圍受到限制。實現(xiàn)方案光源復用系統(tǒng)優(yōu)點系統(tǒng)缺點MI+φ-OTDR兩個并聯(lián)高頻信息解光路復雜；位置與事件無法對應MZI+φ-OTDR兩個并聯(lián)高頻信息解光路復雜；位置與事件無法對應φ-OTDR一個串聯(lián)多事件同步PGC動態(tài)范圍受載波頻率限制φ-OTDR一個串聯(lián)多事件同步易受環(huán)境、偏振等環(huán)境影響復合型分布式光纖傳感技術比較表一第章：分布式光纖傳感小結光纖傳感器按照傳感范圍及原理可以分為點式、準分布式及分布式三大類，簡述了分布式光纖傳感

技術的概念，并對分布式光纖傳感技術的兩大類(基于干涉技術的分布式光纖傳感技術和基于后向散射技術的分布式光纖傳感技術)進行詳細描述，最后對幾種基于后向散射技術的分布式光纖傳感技術的優(yōu)

點和缺點進行對比。本章從光纖傳感入手，層層推進，逐漸趨于細致，最后介紹基于后向散射技術的分

布式光纖傳感技術。一第章：分布式光纖傳感習題1.光纖作為傳感器的優(yōu)勢有哪些?2.談談你對分布式光纖傳感技術的理解。3.分布式光纖傳感技術按照原理可分為哪幾類?4.簡述光纖中三種散射的區(qū)別。5.在光纖傳感器中，常用的干涉儀有哪些?6.

簡述中-OTDR系統(tǒng)的工作原理。7.

比較中-OTDR與COTDR,

分析其優(yōu)點和缺點。8.

比較BOTDR與BOTDA,分析其優(yōu)點和缺點。

第二章

分布式光纖聲振技術原理分布式光纖傳感技術與應用分布式光纖傳感技術與應用目

錄

/CONTENTS瑞利散射原理高相干光激勵后向瑞利散射離散模型基于空間差分干涉的聲波相位檢測原理2.1瑞利散射原理2.1.1瑞利散射當傳輸介質(zhì)的分子密度不具有均勻性，換言之分子密度的不均勻性大于光波長范圍，在此情況下，

光波將產(chǎn)生比較大的強度差別的次波源。如圖所示，

光波傳輸過程中產(chǎn)生了其它方向的光線，此方向的

光我們稱為散射光，圖

(a)表示微粒尺寸較大導致

光波發(fā)生反射，圖

(b)表示微粒尺度比波長小致使

光波發(fā)生散射的情形。光波散射原理圖2.1瑞利散射原理2.1.1瑞利散射英國物理學家瑞利在科學實驗中發(fā)現(xiàn)了瑞利散射現(xiàn)象，其主要特點有：(1)瑞利散射是彈性散射，具有散射光頻率與入射光頻率保持一致的特性。(2)瑞利散射光強I(A)反比于入射波長λ的四次方，即(3)不同散射方向的散射光強不同，即：I(θ)=I?(1+cosθ)式中：θ是散射光與入射光的方向夾角，

I?是θ=π/2的散射光強。.2

1瑞利散射原理2.1.2光纖中后向瑞利散射光強度分布熱擾動導致光纖密度的不均勻以及光纖濃度不純凈(例如濃度不均勻的氧化物)兩種情況是造成光纖折射率不均勻的主要原因，因為光纖中的不均勻結構尺寸一般小于入射光波長，所以入射光在光纖中

傳輸時會產(chǎn)生瑞利散射現(xiàn)象。設入射到光纖中的脈沖光的功率為Po,

距離光纖初始端

L

處的后向瑞利散射光功率PBs(L)表達式為：式中：vg

為光在光纖介質(zhì)中的傳輸速度，t為入射到光纖中脈沖光寬度，

CR

為后向瑞利散射系數(shù)，即后向瑞利散射功率與總瑞利散射功率之比，αs為瑞利衰減系數(shù)，α為光纖衰減系數(shù)，L為從光纖初

始端到散射點的距離。.2

1瑞利散射原理2.1.2光纖中后向瑞利散射光強度分布光纖中瑞利散射方向是各個角度隨機分布，只有沿光纖軸向散射的瑞利散射光才能被探測器捕獲，后向瑞利散射系數(shù)CR

可以由式描述：式中：NA

為數(shù)值孔徑NA=√

n?2-n?2,n?和

n?

分別為光纖纖芯和包層的折射率，V為歸一化的光波頻率，V=2π

a√n?2-n?2/λ,a為光纖的半徑，wo為光斑大小。瑞利衰減系數(shù)

αs

可以表達為：式中：βT是絕熱壓縮比，

Tf是轉(zhuǎn)換溫度，

Tf是玻爾茲曼常數(shù)，λ是光波長。.2

1瑞利散射原理2.1.2光纖中后向瑞利散射光強度分布光纖制作完畢之后，其后向瑞利散射系數(shù)CR

、瑞利衰減系數(shù)

αs

以及光在光纖中的傳播速度

vg

的三項乘積為固定值，稱之為后向瑞利散射因子η,單模光纖的后向瑞利散射因子通常取10W/J,

其表

達式為：將

式

代入式得到后向瑞利散射光功率的表達式為：PBs(L)=ηtPoe-2αL由式可以得出：后向瑞利散射光功率曲線具有指數(shù)衰減特性，反映光纖的損耗情況，當光纖發(fā)生裂

紋、斷點、彎曲、連接損耗時，后向瑞利散射光功率發(fā)生變化，通過檢測脈沖光激發(fā)的后向瑞利散射強

度可實現(xiàn)光纖中上述缺陷的檢測。.2

1瑞利散射原理2.1.3光纖中后向瑞利散射光相位分布光纖中沿軸向的后向瑞利散射光具有與入射光同頻、同偏振態(tài)的特性。通過瑞利散射光功率的概率密度函數(shù)(PDF)

的推導得出入射光的相干長度遠遠大于光纖長度情況下的瑞利散射光的統(tǒng)計特性。

考慮到入射光的相干長度遠遠大于脈沖光“點亮”光纖長度情況，對每一個散射點均可采用隨機向量與

加入相干背景的疊加模型，該模型需要首先滿足以下兩個假設：(1)光纖中的散射點的相位、幅度兩種參量是相互獨立的；(2)各個散射點之間的相位、幅度都具有獨立性。.2

1瑞利散射原理2.1.3光纖中后向瑞利散射光相位分布假設l。處的一個散射點，某一時刻to到這點的入射光振幅為

Es、

相位為Φ?

,則Is=Es2

為入射光的功率，設此時刻瑞利散射光的振幅為

Eb、φ2

為瑞利散射光相位，則Ib=Eo2為瑞利散射光的功

率、△Φ=Φ?-φ?

為瑞利散射光與入射光的相位差，此時關于

t?時

刻l。點瑞利散射光功率Ib

與相位

差△φ的聯(lián)合概率密度函數(shù)可以寫為：式

中

：In

為瑞利散射光的平均功率。Ib≥0,-π≤△Φ≤π.2

1瑞利散射原理2.1.3光纖中后向瑞利散射光相位分布定義“光束比”r=Is/IN,將聯(lián)合概率密度函數(shù)關于功率積分可得相位差△φ的概率密度函數(shù)：的積分十分復雜，最后整理得：式中

：由式可以得出：該分布與r

的取值密切相關，相干背景很弱時(r→0),

瑞利散射光相位的分布接近于均勻分布，而當相干背景很強時(r>>1),

瑞利散射光相位接近于高斯分布，相位差的值絕大多數(shù)集

中在△φ=0附近，因此可以近似認為光纖上任意點的后向瑞利散射光的相位和入射光在這一散射點的

相位相同。.2

1瑞利散射原理2.1.3光纖中后向瑞利散射光相位分布一

π

≤

△φ

≤

π.22高相干光激勵后向瑞利散射離散模型2.2高相干光激勵后向瑞利散射離散模型當在光纖中注入相干長度長的窄線寬激光時，光纖中的散射點看作是一系列離散的反射鏡，某個反射鏡反射信號可認為是在單位散射長度△L范圍內(nèi)隨機分布的散射點的后向散射光的矢量和。單元散射長度△L

定義為：式中

：Sa為系統(tǒng)的采樣率，

C是真空中光速，

nf

是光纖的折射率。式中：

p是第p

段光纖的M

個后向散射點的光場振幅矢量和，定義為第p個反射鏡的反射率；

φp為

M

個后向散射點的相位矢量和，定義為第p

個反射鏡的相位；am是△L光纖長度內(nèi)第m

個后

向散射點的光場振幅值，Qm為第m

個后向散射點

的光場相位值。.22高相干光激勵后向瑞利散射離散模型2.2高相干光激勵后向瑞利散射離散模型如圖所示，設△L

內(nèi)有M

個隨機分布的瑞利散射點，偏振態(tài)相同，第p

個反射鏡處的光場是

M個散射點場矢量和，可以表達為為：i-q+1i-q+2i-q+3—iAL—P

p+1M個散射點(q-1)AL4L瑞利散射離散模型圖.22高相干光激勵后向瑞利散射離散模型2.2高相干光激勵后向瑞利散射離散模型脈沖寬度為W

的激光注入光纖，在不同時刻只有一段光纖中有光，即只有這段光纖被“點亮”,探測器觀察到的光纖點亮長度為(q-1)AL:式中：C是真空中光速，

nf

是光纖的折射率，q

是點亮光纖內(nèi)的等效反射鏡個數(shù)。.22高相干光激勵后向瑞利散射離散模型2.2高相干光激勵后向瑞利散射離散模型距離初始端

i△L

處的后向瑞利散射光的干涉場是i-q-1到

i個等效反射鏡的場矢量和，Li處的光強表達式如下所示：式中

：Pk是第

k個等效反射鏡的光場偏振態(tài)，α是光纖衰減系數(shù)，Li

是第i

個單位散射長度的位置即：Li=i△L。圖及公式所知，Li

處的后向瑞利散射光的干涉場是第i-q+1到

第i

個等效反射鏡的場矢量和，即脈寬內(nèi)q個等效反射鏡的場矢量和。.22高相干光激勵后向瑞利散射離散模型2.2高相干光激勵后向瑞利散射離散模型將一束光頻率為f、脈沖寬度為W

的高相干脈沖光在t=0時刻從環(huán)形器處注入光纖，探測器在t時刻得到的光場表達式如下：f,W幾AOM傳感光纖亢探測器式

中：ak

是

光

場

振

幅

，c是真空中光速，當0≤[t-Tk]/W]≤1時矩形函數(shù)rect[(t-Tk)/W]=1,其他情況

rect[(t-Tk)/W]=0

。Tk

是光纖任意第

k

個等效反射鏡的時間延遲，其與從輸入端到光纖任意第

k個等效反射鏡的光纖長度

Lk

的關系為tk=2nfLk/C=2nfkAL/C,N是等效反射鏡總個數(shù)。后向瑞利散射光檢測光路環(huán)形器DFB-FLLi(q-2)△L光場光纖i-3i-2

i-1i+1i+2

i+3i+q-2i+q-1

等效反射鏡個數(shù)k光脈沖j.22高相干光激勵后向瑞利散射離散模型2.2高相干光激勵后向瑞利散射離散模型假設在第i

個等效反射鏡處(傳感光纖

Li處)施加一個擾動信息△φ,施加在某一個等效反射鏡上的擾動信號稱為點擾動信號，傳感光纖Li

處局部放大圖形如圖所示，探測器觀察到的光脈沖前沿到

達傳感光纖的第j

個等效反射鏡的觀測時間t;:i-q+1i-q+2i-q+3.22高相干光激勵后向瑞利散射離散模型2.2高相干光激勵后向瑞利散射離散模型將式

和式

代入式E?(Li)=E?Zk=i-q+1Pkrkei?e-akAL

得出：如圖所示，在t;

時

刻

，ak是探測器觀測到的脈沖范圍內(nèi)的第

k

個等效反射鏡的光場強度，式可以改寫為：當光脈沖前沿到達傳感光纖的第i個等效反射鏡時，即j=i,.22高相干光激勵后向瑞利散射離散模型2.2高相干光激勵后向瑞利散射離散模型探測器觀測到的光功率信號Ib(ti):Ib(ti)=<Eb(ti)×Eb*(ti)〉由式可以得出：探測器在ti

時刻觀測到第i

個等效反射鏡處有擾動信息△φ。當光脈沖前沿到達傳感光纖的第i+1個等效反射鏡時，即j=i+1,.22高相干光激勵后向瑞利散射離散模型2.2高相干光激勵后向瑞利散射離散模型探測器觀測到的光功率信號Ib(ti+1):Ib(ti+1)=<Eb(ti+1)Eb*(ti+1)〉由式可以得出：探測器在ti+1時刻觀測到第i+1

個等效反射鏡處有擾動信息△中。.22高相干光激勵后向瑞利散射離散模型2.2高相干光激勵后向瑞利散射離散模型依次遞推，當光脈沖前沿到達傳感光纖的第i+q-2個等效反射鏡時，即j=i+q-2,探測器觀測到的光功率信號Ib(ti+q-2):Ib(ti+q-2)={Eb(ti+q-2)×Eb*(ti+q-2)〉由式可以得出：探測器在ti+q-2時刻觀測到第i+q-2個等效反射鏡處有擾動信息△Φ。由式可以得出：探測器在ti+q-1時刻觀測到第i+q-1個等效反射鏡處沒有擾動信息△中。綜上所述，{b(ti)

,Ib(ti+1),……,Ib(ti

+q-2)}中均含有擾動信息△φ,{Ib(ti+q-1)…….}中不含有有擾動信息△Φ,如圖所示，第i

個等效反射鏡處的點擾動信息△φ展寬到i

個等效反射鏡之后的

q-2個等效反射鏡區(qū)域內(nèi)，而不影響展寬區(qū)域以外的其它區(qū)域。.22高相干光激勵后向瑞利散射離散模型2.2高相干光激勵后向瑞利散射離散模型當光脈沖前沿繼續(xù)前進，到達傳感光纖的第i+q-1個等效反射鏡時，即j=i+q-1,探測器觀測到的光功率信號Ib(ti+q-1):Ib(ti+q-1)=(Eb(ti+q-1)×Eb*(ti+q-1)〉.23基于空間差分干涉的聲波相位檢測原理2.3.1光纖聲波相位調(diào)制機理當擾動信號為聲波信號，且聲波信號作用在光纖上，聲波實際上是壓力波，聲場中的光纖受到壓力作用，將會改變光纖的折射率、直徑以及長度大小，進而改變光纖中的光波相位。當一束光沿光纖軸向

傳播長度L

的距離后，光波相位φ為：中=kL式

中

：k為波數(shù)，如光纖中的折射率為

n,光的波長為λ,那么

k=2nπ/λ。

當光纖受到聲波壓力作用使傳播光的相位變化：式中：第一項是因光纖折射率改變的相位變化；第二項因光纖長度改變的相位變化。式中：△βm是逆介電張量變化量，Pmn是彈光系數(shù)矩陣分量，Sn

是光纖應變分量，S?

和

S?是

光

纖橫向應變，各向同性介質(zhì)中S?

=S?,S?是光纖的縱向應變。在原始靜止(未受力)狀態(tài)下是各向同性介質(zhì)，彈光系數(shù)Q為：.23基于空間差分干涉的聲波相位檢測原理2.3.1光纖聲波相位調(diào)制機理由光纖的彈光效應引起折射率的變化可表示為：式

中

：.23基于空間差分干涉的聲波相位檢測原理2.3.1光纖聲波相位調(diào)制機理當光纖受到聲壓P

作用時，光纖各方向的應變可表示為：式中：E為光纖楊氏模量，μ為光纖泊松比，因此逆介電張量的變化與應變之間的關系可寫成：.23基于空間差分干涉的聲波相位檢測原理2.3.1光纖聲波相位調(diào)制機理由關系式：

求出折射率的變化：由式可以得出：光纖受到聲波壓力P作用時，光波相位發(fā)生變化△Φ,從而實現(xiàn)了聲波信號

P到光波相位變化△φ的調(diào)制。光沿軸向傳播，所以折射率變化Anf為

：Anf=△n?=△n?

。又因為光纖的軸向應變?yōu)镾?=2μP

/E,則光纖長度變化△L=2LμP/E,

因此得到：.23基于空間差分干涉的聲波相位檢測原理2.3.2空間差分干涉基本原理為實現(xiàn)聲波位相檢測，設計了空間差分干涉光路，如圖所示，激光經(jīng)過AOM

斬波為脈沖光序列，經(jīng)由環(huán)形器注入傳感光纖，傳感光纖中的后向瑞利散射信號經(jīng)由環(huán)形器輸入相位匹配干涉儀，相位匹配

干涉儀臂長差S,

臂長差等效反射鏡個數(shù)為s=S/AL,相位匹配干涉儀的作用是實現(xiàn)第i個等效反射鏡和第

i-s

個等效反射鏡的后向瑞利散射信號在t;時刻進行干涉。探測器

E(t)

E?()相位匹配干涉儀f,W幾Laser

AOM后向瑞利散射光空間差分干涉光路示意圖Es(t;耦合器

FRM環(huán)形器Ead

_擾動信號P傳感光纖縣方z方-S—FRM.23基于空間差分干涉的聲波相位檢測原理2.3.2空間差分干涉基本原理為了闡述空間差分干涉的基本原理，將式簡為：Eb(t;)=Eicos(2πft;+θ;)式中：Ei,f,θ;

分別是t;時刻第i個等效反射鏡處后向瑞利散射光光場振幅、頻率、初始相位。如上圖所示，在第i

個等效反射鏡處施加一個聲波信號P,

引起后向瑞利散射光相位變化為△Φ,當光脈沖前沿到達傳感光纖的第i

個等效反射鏡時，即j=i,后向瑞利散射信號E?(ti)可以表示為：Eb(ti)=Eicos(2πfti+θi+△Φ)延時信號Ebs(ti)為第i-s

個等效反射鏡處的光場：Ebs(ti)=Ei-s

cos(2πfti+θi-s)式中：

Ei-s,θi-s是

ti時刻第i-s個等效反射鏡處后向瑞利散射光光場振幅、初始相位。.23基于空間差分干涉的聲波相位檢測原理2.3.2空間差分干涉基本原理則探測器處的總光強Iint(tj):Iint(t;)=Ib+Ibs+2√IbIbs

cosφ=A+B

cosΦi,i-s式

中

：Ib,Ibs分別是后向瑞利散射光信號和后向瑞利散射光延時信號的光強，Φi,i-s=(△Φ+θi-由式可以直接得出，干涉條紋可見度是由兩束干涉光的光強大小決定。根據(jù)光干涉理論，差分干涉儀中瑞利散射光偏振態(tài)、后向瑞利散射光線寬對干涉可見度也會影響干涉條紋可見度。為了提高系統(tǒng)靈

敏度及降低系統(tǒng)本底噪聲，需要重點分析和揭示其影響機理，并研究相應的解決措施和方案。.23基于空間差分干涉的聲波相位檢測原理2.3.2空間差分干涉基本原理

當Φi,i-s=2nπ,n=0,±1,±2,

…

…時，干涉條紋可見度

V可以描述兩束光的干涉效應程度：當Φi,i-s=2nπ+π,n=0,±1,±2,

…

…時，.23基于空間差分干涉的聲波相位檢測原理2.3.3核心參數(shù)相關性分析當有一束頻率為f、

脈沖寬度為

w的高相干脈沖光、l=0

處入射到光纖上，OTDR

系統(tǒng)的空間分辨率為,則在光纖輸入端獲得的后向瑞利散射信號振幅可表示為：式

中

，am

是衰減后光振幅，c

是真空中光速，nf

是光纖折射率，并且當0≤[(t-Tm)/w]≤1時矩形函數(shù)

rect[(t-Tm)/w]=1,

其他情況

rect[(t-Tm)/w]=0。Tm

是光纖任意第m個散射點的時間延遲，其與從輸入端到光纖任意第

m

個散射點的光纖長度

lm的關系為：.23基于空間差分干涉的聲波相位檢測原理2.3.3核心參數(shù)相關性分析將后向散射光輸入麥克爾遜干涉儀，干涉儀臂長差為s,由干涉儀引入的延時ts=2nfs/c,

則延時信號振幅可表示為：式中自干涉項

、Ia=相對相因此經(jīng)過干涉儀后所接收到的自、互干涉光強可表示為：I(t)=[Ebs(t)+Ea(t)]·[Ebs(t)+Ea(t)]*=Ibs+Id.23基于空間差分干涉的聲波相位檢測原理2.3.3核心參數(shù)相關性分析整個干涉系統(tǒng)的空間分辨率Ds定義為任意某時刻干涉信號所涉及到的散射點相對位置之和，描述干涉系統(tǒng)識別不同信號相對位置的能力，即空間分辨率Ds長度內(nèi)系統(tǒng)只能分辨出一個信號，如圖所示，由式/(t)=[Ebs(t)+Ea(t)]

·

[Ebs(t)+Ea(t)]*=Lbs+Ia+2ZM=1Zn=1amancosPmnsrectc=Tm)探測光千長度(L=a2n)1

空間分辨率(D-cw/2n+s)(Al=cTa/2n)解調(diào)后波形

可推出：整個干涉系統(tǒng)空間分辨率示意圖定位精度x軸.23基于空間差分干涉的聲波相位檢測原理2.3.3核心參數(shù)相關性分析我們首先討論一下使得干涉發(fā)生時

To

、ts與

w的關系：由式可知，某一tk時刻到達原點的散射光振幅為：則散射點數(shù)m

、時刻tk

滿足：

,

mTo≤tk≤mto+w此時到達原點的延時光振幅為：則散射點數(shù)m、

時刻tk

滿足：

,nto+Ts≤tk≤nto+Ts+w.23基于空間差分干涉的聲波相位檢測原理2.3.3核心參數(shù)相關性分析前提條件要保證第一個散射點的延時光到達原點，即tk≥To+Ts時刻tk

既要在散射光所需時間范圍內(nèi)又要在延時光所需時間范圍內(nèi)，則有mTo≤nTo+Ts+w,

nTo+Ts≤mTo+w整理得.23基于空間差分干涉的聲波相位檢測原理2.3.3核心參數(shù)相關性分析1

)

當w<to

時，自干涉項Ibs、Ia

為零，由式

,nto+ts≤tk≤nto+Ts+w得

m

、n的范圍內(nèi)只有一個正整數(shù)：若ts<To,

則[ts/To]=0,上

式m-n≤0,

必有

n=m,此時由式干涉光強為：特別的，當s=0時，互干涉項不存在，干涉光強為常量。其中f(x)=[x]為取整函數(shù)，則.23基于空間差分干涉的聲波相位檢測原理2.3.3核心參數(shù)相關性分析若ts≥To,則

中m-n≠0,

此時由須滿足：(m-n)To-w≤Ts≤(m-n)To+w此時干涉光強為：.23基于空間差分干涉的聲波相位檢測原理2.3.3核心參數(shù)相關性分析2)當w≥to

時，自干涉項Ibs、Ia不為零且任何情況下均存在多組正整數(shù)m、n

使得式特別的，當s=0

時，Ebs(t)=Ea(t),干涉項仍然存在，此時的干涉光強為：成立，此時干涉光強為：.23基于空間差分干涉的聲波相位檢測原理2.3.3核心參數(shù)相關性分析我們其次討論一下解調(diào)強度與ts、To、w

的關系：當?shù)趃

個散射點處存在聲源帶來的擾動且滿足上述干涉發(fā)生條件時，由式I(t)=[Ebs(t)+Ea(t)]

·[Ebs(t)+Ea(t)]*=Lbs+la+2Zm=1Zn=1aman

cosφmnsrect(-m)rectc=n-s)得第

g個散射點脈沖波形的相位受到外部擾動時的后向瑞利散射光的相位變化會在原始相對相位上增加一項△φg,某

一tk

時

刻到達原點的散射光振幅變?yōu)椋害?9mns+△g=4πfnf[(m-n)Al+s]/c+△φg.23基于空間差分干涉的聲波相位檢測原理2.3.3核心參數(shù)相關性分析同樣1)當w<to

時，若

ts<To,

則可知g=m=n,

此時干涉光強為：若

ts≥To,則

g

點必在m、n

之間，由式.23基于空間差分干涉的聲波相位檢測原理2.3.3核心參數(shù)相關性分析2

)

當w≥to

時，使矩形函數(shù)rect

、rect[(t-Tn-Ts)/w]=1成立的m、n

能取的個數(shù)是相同的，為[w/to],

則

A?=Zm=1Zn=1amancosφmn與

A?=Zm=1Zn=1aman

sinφmn為常數(shù)。由式需要討論g點與m、n點的相對位置關系。nto+Ts≤tk≤nTo+Ts+wmTo≤tk≤mTo+w.23基于空間差分干涉的聲波相位檢測原理2.3.3核心參數(shù)相關性分析若ts<w,

則m、n

的取值范圍有重疊。A)

當

g僅在m取值范圍內(nèi)時，自干涉項Ia為常量，此時干涉光強為B)

當

g僅在n

取值范圍內(nèi)時，自干涉項Ibs

為常量，此時干涉光強為.23基于空間差分干涉的聲波相位檢測原理2.3.3核心參數(shù)相關性分析C)當

g在

m、n

取值范圍交疊區(qū)時，干涉光強為.23基于空間差分干涉的聲波相位檢測原理2.3.3核心參數(shù)相關性分析若ts≥w,則

m、n

的取值范圍沒有重合區(qū)域。A)當

g在

m

取值范圍內(nèi)時，自干涉項Ia為常量，此時干涉光強為B)

當

g在

n取值范圍內(nèi)時，自干涉項Ibs為常量，此時干涉光強為.23基于空間差分干涉的聲波相位檢測原理2.3.3核心參數(shù)相關性分析C)

當

g在

m

、n取值范圍之間時，自干涉項Ibs

、Ia均為常量，此時干涉光強為這里需要特別說明的是，當聲源存在一定寬度時，某點處受到外部擾動時后向瑞利散射光的總相位變化是此點自干涉相位變化與互干涉相位變化的和，與系統(tǒng)的空間分辨率一樣跟干涉儀臂長s有直接關

系，因此需要選擇合適的干涉儀臂長s

兼顧系統(tǒng)空間分辨率與靈敏度。第二章：分布式光纖傳感技術與應用小結本章在瑞利散射原理的基礎上重點研究了光纖中的后向瑞利散射光的強度分布和相位分布特性，

在此基礎上提出了高相干光激勵后向瑞利散射離散模型，闡明了離散模型中點振動信號的空間展寬理

論。第二章：分布式光纖傳感技術與應用習題1.瑞利散射的定義是什么?