Ф-OTDR分布式光纖振動(dòng)傳感原理分析目錄TOC\o"1-3"\h\u26219Ф-OTDR分布式光纖振動(dòng)傳感原理分析 1253761.1光纖中的瑞利散射 1242131.2OTDR技術(shù) 344531.3Ф-OTDR分布式光纖擾動(dòng)傳感器 4234491.3.1Ф-OTDR的基本原理 478091.3.2Ф-OTDR分布式光纖擾動(dòng)傳感器原理 4217381.3.3相干衰落效應(yīng) 5187511.3.4Ф-OTDR的定位原理 599251.3.5Ф-OTDR的聲場(chǎng)重構(gòu)原理 6首先我們了解到分布式傳感器有著多種優(yōu)點(diǎn)，具體可以概括為以下四點(diǎn)：①探測(cè)范圍廣；②靈敏度高；③響應(yīng)速度快；④結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡(jiǎn)單。以至于他在結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)，周界安防這些領(lǐng)域的時(shí)候享有廣泛的長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用，給我們的生活提供了很多的便利以及擁有很廣泛的前景。但是Ф-OTDR是我們把分布式傳感系統(tǒng)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的最基本的結(jié)構(gòu)，這一章主要描述分析Ф-OTDR基于瑞利散射的基本原理。從光纖的瑞利散射原理作為我們的出發(fā)點(diǎn)來(lái)研究他的物理學(xué)機(jī)制。并且描述Ф-OTDR的傳感器原理以及聲音場(chǎng)的重構(gòu)原理。在Ф-OTDR的光纖傳感的系統(tǒng)中，我們利用基于瑞利散射向后的原理，沒一條傳入光纖的光束都會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的向后的瑞利散射光。由于外界的相對(duì)震動(dòng)對(duì)光纖的影響改變其震動(dòng)位置的相對(duì)光相位，并且這個(gè)相對(duì)光相位最終影響到瑞麗散射的振幅上去，也就是利用瑞利散射的振幅的變化來(lái)表現(xiàn)出來(lái)。所以通過調(diào)解后瑞利散射振幅的變化可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)的震動(dòng)點(diǎn)的精確定位。1.1光纖中的瑞利散射在研究瑞利散射之前，我們應(yīng)該先知道散射這一基本概念，那么散射是怎么產(chǎn)生的呢？我們知道，光在傳播過程中基本不可避免地會(huì)撞到一些阻礙物/遮擋物，這其中有些較大的會(huì)使光進(jìn)行反射，而較小的微粒則會(huì)影響光的傳播方向，其傳播方向會(huì)偏離原方向，向四面八方散開。瑞利散射是散射中的一種，主要是說，當(dāng)光在傳播過程中遇到的障礙物（導(dǎo)致其發(fā)生散射的粒子），其直徑遠(yuǎn)小于光波波長(zhǎng)。瑞利散射的現(xiàn)象最早是由英國(guó)物理學(xué)家瑞利在1900年提出來(lái)的，通常來(lái)講是各個(gè)散射光的強(qiáng)度是一樣的，計(jì)算公式是與波長(zhǎng)的四次方成反比。除瑞利散射光外，會(huì)對(duì)我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響的散射光有以下兩種：①布里淵散射光；②拉曼散射光。光的散射可以分為下面兩種：①?gòu)椥怨馍⑸?；②非彈性光散射。分類依?jù)是光的碰撞過程。彈性光散射的光的碰撞過程具有齊次性和疊加性，即具有線性性質(zhì)，而非彈性光散射則不具有這個(gè)性質(zhì)。兩者之間的差別在于碰撞過程中光子的能量是否發(fā)生變化，發(fā)生彈性光散射時(shí)，光子的能量不會(huì)，而非彈性光散射則一定會(huì)在某種程度上影響光子的能量，即光子的能量一定會(huì)發(fā)生改變。通常情況下，兩種散射都會(huì)在介質(zhì)中存在，具體情況中的具體差別在于兩種散射光的強(qiáng)度不同。瑞利散射則屬于前者，光的頻率在發(fā)生瑞利散射時(shí)不會(huì)發(fā)生改變；但是拉曼散射以及布里淵散射屬于非彈性散射。圖2-1散射光波長(zhǎng)關(guān)系圖瑞利散射會(huì)發(fā)生在光線介質(zhì)中，光纖的全部空間中都會(huì)存在光纖瑞利散射功率，散射的方向沒有規(guī)律，四面八方都會(huì)有散射的存在，其中就包含著沿光纖軸向向前的以及向后的散射。后者即為瑞利后向散射。圖2-2后向瑞利散射光產(chǎn)生原理1871年，英國(guó)物理學(xué)家瑞利對(duì)半徑遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的微小顆粒引起的散射現(xiàn)象進(jìn)行研究，并提出當(dāng)光束通過透明的液體、固體以及氣體時(shí)都會(huì)發(fā)生瑞利散射。瑞利散射光的頻率與入射光的頻率相同，且瑞利散射光的強(qiáng)度大小由入射光波長(zhǎng)和散射方向決定。瑞利散射光強(qiáng)可表示為:I(θ)=（2-1）其中，I(θ)是與入射光成θ角的散射光光強(qiáng)，I0則是垂直入射光的散射光光強(qiáng)。光纖局部密度的不均勻性會(huì)產(chǎn)生瑞利散射，其散射系數(shù)γ（2-2）是入射光波長(zhǎng),n是光纖纖芯折射率系數(shù),p是平均光彈系數(shù)βT是假想溫度下的等溫壓縮率,K是玻爾茲曼常數(shù),TFP（2-3）P為脈沖的峰值功率,v是光在光纖中的速度,為后向散射光功率捕獲因子,故由上式可知，瑞利散射信號(hào)的光功率正比于入射光波的功率，則瑞利散射光的功率能夠反映光纖沿線的損耗信息。通過檢測(cè)瑞利散射信號(hào)的功率等信息，就能夠?qū)ν獠恳蛩剡M(jìn)行傳感監(jiān)測(cè)。1.2OTDR技術(shù)OTDR技術(shù)主要基于后向瑞利散射光信號(hào)，用其來(lái)測(cè)量光纖是十分簡(jiǎn)便的，能夠探測(cè)在光纖線路中隨著各種條件變化而發(fā)生變化的損耗。瑞利散射是彈性光散射，即發(fā)生瑞利散射時(shí)光子的能量不會(huì)發(fā)生變化，瑞利散射光的波長(zhǎng)也與入射光的波長(zhǎng)相等，在散射中光的波長(zhǎng)也不會(huì)發(fā)生變化，且瑞利散射光功率與入射光功率成正比。換句話說，測(cè)量后向瑞利散射光便可以知道光波沿軸向向前的傳播情況，也就能知道在光纖多個(gè)位置處的衰減狀況。圖2-3OTDR系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)圖在附近有振動(dòng)或擾動(dòng)時(shí)，傳感光纖會(huì)感受到這個(gè)振動(dòng)，由于光彈效應(yīng)，首先，感受到振動(dòng)的位置的光的相位會(huì)改變，受到上面的影響，這個(gè)地方的后向瑞利散射光的相位也緊隨其后改變。將時(shí)間轉(zhuǎn)換為位置信息的公式如下：（2-4）其中，c為真空中光速，t為脈沖光在傳感光纖中來(lái)回一周所花的時(shí)間，n為光纖的折射率。通過上式，我們可以準(zhǔn)確的判斷出光纖路徑中發(fā)生事件的位置。系統(tǒng)中光電探測(cè)器的作用是接收從光纖中傳回的后向瑞利散射光并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，即輸出電信號(hào)，我們的上位機(jī)接受到這個(gè)電信號(hào)之后，會(huì)對(duì)其進(jìn)行數(shù)值計(jì)算得到我們想要的所有位置出的光功率。從入射光入射開始到接收到后向瑞利散射光為止，記錄的這個(gè)時(shí)間段的時(shí)間，再用這個(gè)時(shí)間便可以計(jì)算出發(fā)生后向瑞利散射的位置信息。設(shè)脈沖光注入光纖的時(shí)間與傳輸?shù)焦饫wL處產(chǎn)生的RBS返回到入射端的時(shí)間差為t,則距離L可表示為：L=（2-5）在光纖L處的脈沖光峰值功率為:P(Z)=（2-6）式中，α是光纖的衰減系數(shù)，P0P（2-7）光纖L處產(chǎn)生的RBS反向傳輸時(shí)同樣會(huì)受到光纖損耗的影響，因此其傳輸?shù)饺肷涠说墓β士杀硎緸椋篜（2-8）光纖中的瑞利散射光功率隨著距離的增長(zhǎng)呈指數(shù)衰減形式,根據(jù)上式就可以確定事件發(fā)生的位置，對(duì)光纖實(shí)現(xiàn)全分布式監(jiān)測(cè)。1.3Ф-OTDR分布式光纖擾動(dòng)傳感器1.3.1Ф-OTDR的基本原理將OTDR系統(tǒng)使用的是寬譜激光器，這會(huì)導(dǎo)致我們的系統(tǒng)并不一定能夠接受到振動(dòng)信號(hào)，原因是系統(tǒng)的信噪比極低。光與光之間會(huì)發(fā)生干涉，后向瑞利散射光也同理，這更進(jìn)一步加大了我們從這些紛繁復(fù)雜的信號(hào)中識(shí)別出有用信息的難度，我們?yōu)榱说窒@些影響，自然會(huì)想到拓寬激光器的線寬，但是這又會(huì)導(dǎo)致新的問題，我們的系統(tǒng)靈敏度又會(huì)受到影響而降低。作為OTDR家族最新且最具有生命力的一員，Ф-OTDR的基本原理與OTDR基本相同，與OTDR大不相同的是，Ф-OTDR使用的是超窄線寬激光器。超窄線寬激光器輸出的是強(qiáng)相干光，即進(jìn)入傳感光纖的是強(qiáng)相干光，這導(dǎo)致檢測(cè)到的信號(hào)變成了在脈沖所允許的范圍內(nèi)發(fā)生了相干干涉的后向瑞利散射光的相干干涉結(jié)果，我們就可以從系統(tǒng)傳輸回來(lái)的相干干涉結(jié)果中對(duì)發(fā)生了入侵事件的位置進(jìn)行定位，從而實(shí)現(xiàn)我們的目的：分布式傳感。1.3.2Ф-OTDR分布式光纖擾動(dòng)傳感器原理Ф-OTDR分布式光纖傳感器工作原理如下圖所示，系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成：①超窄線寬激光器；②聲光調(diào)制器（AOM）；③環(huán)形器；④傳感光纖；⑤光電探測(cè)器；⑥放大電路；⑦數(shù)據(jù)采集卡；⑧上位機(jī)等。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，超窄線寬激光器、聲光調(diào)制器、環(huán)形器、光電檢測(cè)器及其它相應(yīng)的電源、驅(qū)動(dòng)、檢測(cè)電路和通信接口通常會(huì)被集成在傳感器主機(jī)中；傳感光纖布置在外場(chǎng)的傳感光纜中。超窄線寬激光器作為光源發(fā)出的激光經(jīng)聲光調(diào)制器調(diào)制為光脈沖，光脈沖通過環(huán)形器注入傳感光纖，傳感光纖中后向瑞利散射光在脈沖寬度內(nèi)發(fā)生相干干涉，干涉光強(qiáng)經(jīng)過環(huán)形器被探測(cè)器檢測(cè)，經(jīng)放大后通過數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)入主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和結(jié)果顯示。圖2-4Ф-OTDR基本結(jié)構(gòu)圖在附近有振動(dòng)或擾動(dòng)時(shí)，傳感光纖會(huì)感受到這個(gè)振動(dòng)，由于光彈效應(yīng)，首先，感受到振動(dòng)的位置的光的相位會(huì)改變，受到上面的影響，這個(gè)地方的后向瑞利散射光的相位也緊隨其后改變，進(jìn)而影響到脈沖寬度范圍里的散射光的干涉效應(yīng)光強(qiáng)度同樣跟著改變。將Ф-OTDR不同時(shí)刻的后向瑞利散射光干涉光強(qiáng)曲線做差，差值曲線上光干涉信號(hào)發(fā)生劇烈變化位置，對(duì)應(yīng)發(fā)生擾動(dòng)的位置，計(jì)算方法如公式所示：（2-9）其中，z表示擾動(dòng)發(fā)生的位置，c表示真空中的光速，n表示折射率，t表示系統(tǒng)發(fā)出脈沖與探測(cè)器接收到后向瑞利散射信號(hào)之間的時(shí)間差。結(jié)果與OTDR系統(tǒng)相同。1.3.3相干衰落效應(yīng)Ф-OTDR從生來(lái)就被寄予厚望，Ф-OTDR也沒有辜負(fù)人們的期望，它在檢測(cè)光纖中的衰減和斷點(diǎn)等問題的方面大放異彩。但是這也是有局限性的。人們出于以下兩種目的：①提升傳感性能；②使系統(tǒng)能夠用到更多領(lǐng)域；又提出了一種名為COTDR的系統(tǒng)，COTDR的特點(diǎn)是檢測(cè)后向瑞利散射光的方法與眾不同，它使用相干檢測(cè)。這種方法是杰出的，它在很大程度上優(yōu)化了OTDR系統(tǒng)，主要有：①將系統(tǒng)的信噪比拔高到了一個(gè)新的高度，系統(tǒng)能夠探測(cè)到的信號(hào)可以比以前微弱的多；②系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍也提升了不止一個(gè)檔次。我們對(duì)OTDR接收到的信號(hào)進(jìn)行以下分析：它其實(shí)是我們的探測(cè)器量程內(nèi)全部的瑞利散射光的電場(chǎng)做一個(gè)疊加取得的信號(hào)。若我們還采用舊式OTDR的設(shè)計(jì)采用寬譜光源，即我們系統(tǒng)中的光的相互干涉尺度較小。我們可以知道，互相不會(huì)發(fā)生干涉的許許多多的相干長(zhǎng)度單元共同結(jié)合成為了探測(cè)脈沖的長(zhǎng)度。其中的各個(gè)相干長(zhǎng)度單元探測(cè)到的光功率之和只有內(nèi)部瑞利散射光的功率之和。然而，相干長(zhǎng)度內(nèi)的每一個(gè)散射點(diǎn)之間又會(huì)互相干涉，這是因?yàn)樯⑸潼c(diǎn)的分布不是根據(jù)人們的意愿來(lái)的，它是隨機(jī)的，但是這些散射點(diǎn)又兩兩之間相位分布相對(duì)不變。這也就是說，我們探測(cè)器所探測(cè)到的總功率并不準(zhǔn)確，它不僅僅是上述所有瑞利散射光功率之和。這就可能導(dǎo)致部分信號(hào)較強(qiáng)而部分信號(hào)十分微弱的情況。一般來(lái)說，當(dāng)我們的OTDR系統(tǒng)采用超窄線寬激光器光源時(shí)，強(qiáng)散射信號(hào)和弱散射信號(hào)之間的比值最高可達(dá)一百。我們將這種系統(tǒng)中的瑞利散射強(qiáng)度起伏不定的情況稱為相關(guān)衰落現(xiàn)象。1.3.4Ф-OTDR的定位原理上一節(jié)中講到的相干衰落的產(chǎn)生并不是我們所期望的，它其實(shí)是一種噪聲，會(huì)影響我們的OTDR和COTDR的探測(cè)結(jié)果。Ф-OTDR系統(tǒng)光源的線寬一般最大不會(huì)超過100kHz，原因是Ф-OTDR反而利用了這個(gè)對(duì)其他系統(tǒng)不利的效應(yīng)來(lái)進(jìn)行檢測(cè)擾動(dòng)，限制線寬尺度為比較小的話，我們系統(tǒng)中的瑞利后向散射光之間的相干衰落效應(yīng)就會(huì)隨之獲得一定程度上的增幅。我們?cè)?jīng)分析過，如果系統(tǒng)處于一個(gè)安穩(wěn)的環(huán)境，并且激光器輸出的光頻率也較為穩(wěn)定時(shí)，我們的傳感光纖中的每一處地點(diǎn)的瑞利后向散射光相位基本不會(huì)發(fā)生改變，也就是說RBS曲線也不會(huì)發(fā)生形變。在我們的系統(tǒng)感知到入侵事件時(shí)，入侵地點(diǎn)的光纖會(huì)因?yàn)槭艿搅Χ淖冃螤?，這會(huì)導(dǎo)致傳感光纖的以下參數(shù)隨之發(fā)生一定程度的改變：①光纖的纖芯半徑；②光纖的長(zhǎng)度；③光纖的折射率。這則會(huì)引起連鎖反應(yīng)：這個(gè)位置的瑞利散射光的相位會(huì)發(fā)生一定程度上的變化，其散射率同理。我們的RBS曲線也會(huì)隨之發(fā)生形變，不過當(dāng)然是在入侵事件對(duì)應(yīng)的地點(diǎn)。我們?nèi)绻麑⑦@個(gè)變化后的曲線與無(wú)入侵的曲線進(jìn)行對(duì)比，并解調(diào)幅度，就進(jìn)而能夠解調(diào)出入侵事件的具體坐標(biāo)。圖2-5有振動(dòng)情況下Ф-OTDR幅值曲線1.3.5Ф-OTDR的聲場(chǎng)重構(gòu)原理上一節(jié)中提到，在我們的系統(tǒng)感知到入侵事件時(shí)，入侵地點(diǎn)的光纖會(huì)因?yàn)槭艿搅Χ淖冃螤?，這會(huì)導(dǎo)致傳感光纖的以下參數(shù)隨之發(fā)生一定程度的改變：①光纖的纖芯半徑；②光纖的長(zhǎng)度；③光纖的折射率。然而，我們知道，只根據(jù)RBS曲線解調(diào)結(jié)果是不夠的，它能且只能解調(diào)出入侵事件的具體位置信息，并不能知道入侵事件對(duì)光纖所施加的力的大小，即光纖受到的形變的具體參數(shù)是未知的。而隨著上述①②③的改變而改變的還有對(duì)應(yīng)地點(diǎn)的光的相位，我們還可以對(duì)變化后的相位與入侵前的相位進(jìn)行對(duì)比，并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，這樣就得到了光線形變的具體參數(shù)。設(shè)聲場(chǎng)作用在光纖上的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，光波經(jīng)過這段光纖產(chǎn)生的相位延遲可表示為：（2-10）其中是光波在光纖中的傳輸常數(shù)，是光波在真空中的波數(shù)，是光波的角頻率，n是光纖折射率，ｃ是光在真空中的傳播速度。對(duì)上述公式求微分可得：（2-11）根據(jù)公式可知，造成光纖相位延遲的因素包括以下三個(gè)：振動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力會(huì)在光纖軸向上產(chǎn)生拉伸作用，引起光纖長(zhǎng)度的變化，進(jìn)而引入相位延遲：（2-12）其中，是軸向應(yīng)變。泊松效應(yīng)會(huì)使得纖芯的芯徑發(fā)生變化，使得波矢發(fā)生變化，但波矢變化量通常較小，因此這一項(xiàng)引入的相位變化可以忽略不計(jì)。光彈效應(yīng)會(huì)改變光纖纖芯的折射率，進(jìn)而引起相位變化。根據(jù)彈性力學(xué)的原理，各向同性的材料折射率變化與應(yīng)變的關(guān)系可表示為：（2-13）光彈系數(shù)可表示為:（2-14）此式代入到上式中可得：（2-15）故由光彈效應(yīng)造成的相位改變?yōu)椋海?-16）則受到外部作用最終產(chǎn)生光纖相位延遲為：（2-17）其中，ｎ，k，和都是光纖的常數(shù)，可以知道，我們?nèi)绻胍拦饫w形變的具體參數(shù)，僅需知道相位在入侵前和入侵后的變化并解調(diào)即可。經(jīng)過后續(xù)研究，人們發(fā)現(xiàn)，如果想要知道聲波對(duì)光纖的影響致使形變的參數(shù)，如果我們忽略其他條件，只看光纖軸向的形變的參數(shù)變化所導(dǎo)致