分布式光纤传感技术与应用全套电子课件完整版ppt整本书电子教案最全教学教程.pptx

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1、第一章分布式光纤传感分布式光纤传感技术与应用分布式光纤传感技术与应用目 录/CONTENTS分布式光纤传感技术1.21.1光纤传感技术1.3分布式光纤传感技术比较1.1光纤传感技术通信技术、计算机技术以及传感技术是信息技术三大基础，其中传感技术是获得信息的最前端，是完成各种数据采集的重要工具。光纤传感技术伴随着光纤通信技术的高速发展而发展起来的，光纤为传输介质，光波为信息载体，感知并传递外界物理量变化的新技术。当光波在光纤中传输时，其功率、相位、波长、偏振态等参数会受外界环境影响而发生改变，通过检测光波参数的变化，获得外界待测物理量的信息。1.1光纤传感技术光纤传感器按照传感范围及原理可以分为

2、点式、准分布式及分布式三大类。点式光纤传感器是指光波在光纤中传播至单点传感单元处，受外部因素的影响而改变，但是除传感单元之外的光纤只作为传输媒介，不具有传感的功能。单点式1.1光纤传感技术1.1光纤传感技术准分布式光纤传感器是指采用时分复用、频分复用等复用技术，将多个点式传感元件组合形成传感阵列。准分布式光纤传感器能够拾取传感器阵列位置处的被检测的物理量，传感器位置之外的光纤仅具有信息传输功能，而不具备感知功能。准分布式光纤传感器在空间测量范围、传感器容量等方面性能优于点式传感器，适合应用在较大型的、多个重点检测位置的场合。准分布式1.1光纤传感技术1.1光纤传感技术分布式光纤传感器是用于连续

3、传感、测量沿光纤长度方向分布的被测物理量的一种传感器。分布式光纤传感器中的光纤能够集传感、传输功能于一体，不仅能够完成在整条光纤长度上的分布式环境参量的空间、时间多维分布状态信息的连续测量，还能将分布式的测量信息实时、无损地传输到信息处理中心。全分布式1.1光纤传感技术1.1光纤传感技术分布式光纤传感器作为现代传感技术领域中的一个重要分支,具有其他类型传感器无法比拟的优势:优点抗干扰分布式光纤传感器的主体是光纤，具备了光纤特有的抗干扰的优点。时空分布式检测能够不间断地获取传感光纤周围环境内的物理量信息。复杂度低一个通道就能进行信号检测、采集和处理，简化了光路结构和信号采集与处理单元。便于融合分

4、布式光纤传感器和现行的光纤检测网普遍采用单模光纤。因此，分布式光纤传感器与现行光纤检测网具有很好的兼容性，无需替换光缆就可以进行检测。1.1光纤传感技术1.1光纤传感技术分布式光纤传感技术可分为两类：干涉技术和后向散射技术。原理干涉原理后向散射技术类型MichelsonMach-ZehnderSagnac复合结构拉曼散射布里渊散射瑞利散射测量信号振动振动振动振动温度温度、应变声波、振动、温度、应变优点灵敏度高灵敏度高灵敏度高灵敏度高体积小、抗干扰性强、测量精度高可温度和应变同时测量、精度高、空间分辨率好能量大便于信息检测、定位准确、信号算法简单缺点易受干扰、检测范围短、定位算法复杂、难以同时测

5、量多点扰动易受干扰、检测范围短、定位算法复杂易受干扰、检测范围短、定位算法复杂易受干扰、检测范围短、定位算法复杂需要大功率光源、返回的信号较弱，不便于测量需要激光器输出稳定、自发布里渊散射微弱，测量困难灵敏度较低、信噪比较低、对激光器性能要求高1.1光纤传感技术1.1光纤传感技术1.2分布式光纤传感技术干涉仪的种类有Michelson光纤干涉仪，Mach-Zehnder光纤干涉仪，Sagnac光纤干涉仪以及复合结构干涉仪等,基于上述不同干涉仪可形成干涉式分布光纤传感器，这类分布式光纤传感器具有高灵敏度的优点，但存在着易受干扰、检测范围短，定位算法复杂等问题。1.2.1基于干涉原理的分布式光纤传

6、感技术1.2分布式光纤传感技术Michelson干涉仪主要由3dB耦合器和两个反射镜构成，分束后的激光通过反射镜的反射产生干涉效应。通过光强的变化信息的解调完成扰动事件的检测。1.2.1.1基于Michelson干涉仪的分布式光纤传感技术基于Michelson干涉仪的分布式光纤传感技术的原理图1.2分布式光纤传感技术Mach-Zehnder干涉仪通过两个3dB耦合器构成Mach-Zehnder结构实现干涉检测。当干涉仪的信号臂有振动信号时,相应位置处的光纤产生形变,引起的相位发生改变,同时参考臂保持不变，干涉条纹发生改变，从而完成振动信号的检测。1.2.1.2基于Mach-Zehnder干涉仪

7、的分布式光纤传感技术基于Mach-Zehnder干涉仪的分布式光纤传感技术的原理图1.2分布式光纤传感技术Sagnac干涉仪由耦合器和光纤环构成。由于分束后的激光从3dB耦合器到达扰动事件点位置的时间不同，再相遇时，在3dB耦合器处产生相位差，在干涉信号中解调出相位差即可获取外界振动信息。1.2.1.3基于Sagnac干涉仪的分布式光纤传感技术基于Sagnac干涉仪的分布式光纤传感技术的原理图1.2分布式光纤传感技术单一干涉型光纤传感器具有结构简单、灵敏度较高的优点但同时存在定位困难、易受干扰等缺陷，为了更好的发挥干涉型光纤传感器的优点，出现了双Mach-Zehnder、双Sagnac、Sag

8、nac-Machelson、Sagnac-Mach-Zehnder、双Machelson等复合型结构。1.2.1.4复合型干涉仪的分布式光纤传感技术双Mach-Zehnder光纤干涉仪原理图1.2分布式光纤传感技术光纤中存在拉曼散射（RamanScattering）、布里渊（BrillouinScattering）、瑞利散射（RayleighScattering）。1.2.2基于后向散射技术的分布式光纤传感技术光纤中激发光与散射光的频谱分布分类特点拉曼散射频率变化主要是由入射光和光纤中的光学声子与相互作用引起的瑞利散射光纤材料分布不均匀导致折射率不均匀引起，是弹性散射布里渊散射入射光与光纤中的

9、声学声子相互作用产生的非弹性散射引起1.2分布式光纤传感技术三种散射原理的用途：1.2.2基于后向散射技术的分布式光纤传感技术散射用途拉曼散射拉曼散射光强由外界物理场的温度变化决定,根据此原理拉曼散射可以用来分布式测量外界温度。布里渊散射温度或者应变可以引起布里渊散射的光强和频移的变化，检测布里渊散射频移可实现由扰动引起的应力物理场测量。瑞利散射光纤中后向瑞利散射光强度和位相的变化可实现光纤损耗和应变的分布式测量。1.2分布式光纤传感技术当激光注入到光纤中，与光纤中的分子相互作用，发射、吸收声子转化为波长较长、波长较短的散射光的现象，称为拉曼散射，其包含，斯托克斯光（Stokes）、反斯托克斯

10、光（anti-Stokes）两种散射光。拉曼散射技术用于分布式温度传感技术，进行输送管道泄漏的实时检测1.2.2.1基于拉曼散射技术的分布式温度传感技术1.2分布式光纤传感技术基于布里渊散射的分布式光纤传感器能够实现温度、应变的同时检测，基于布里渊散射的分布式光纤传感技术测量精度高、单次测量信息获取效率高，科研人员对布里渊技术进行了广泛、深入的研究。当前，基于布里渊散射的分布式光纤传感技术按照工作原理可以分为以下四种类:布里渊光时域反射技术（BOTDR）,布里渊光时域分析技术（BOTDA），布里渊光频域分析技术（BOFDA）以及布里渊相关连续波技术（BOCDA）。1.2.2.2基于布里渊散射技

11、术的分布式光纤传感技术1.2分布式光纤传感技术（1）布里渊光时域反射技术光脉冲信号注入传感光纤,检测后向自发布里渊散射光的时间信息、频移以及功率信息，其中后向布里渊散射的时间信息提供空间位置信息，后向布里渊散射的频移和功率信号提供环境对温度和应变的信息。BOTDR技术只需要在传感光纤一端注入光脉冲就可以实现温度及应变的分布式测量，具有光路简易、便于应用等优点，但光纤中后向自发布里渊散射光信号比较微弱，导致解调信号的信噪比较低。1.2.2.2基于布里渊散射技术的分布式光纤传感技术布里渊光时域反射原理图1.2分布式光纤传感技术1.2.2.2基于布里渊散射技术的分布式光纤传感技术BOTDA原理图1.

12、2分布式光纤传感技术1.2.2.2基于布里渊散射技术的分布式光纤传感技术光频域分析技术原理图1.2分布式光纤传感技术1.2.2.2基于布里渊散射技术的分布式光纤传感技术布里渊相关连续波方案原理图1.2分布式光纤传感技术当外界物理场环境（如声波、振动、温度、应变等）以及光纤线路的损耗、连接点和断点作用在传感光纤上某位置时,传感光纤中的弹光效应和热光效应导致该位置处的传感光纤散射单元长度和折射率发生了改变,从而会引起该位置处的后向瑞利散射光相位发生改变,传感光纤瑞利散射光的相位发生变化导致传输到探测器的瑞利散射光相位差发生变化，引起后向瑞利散射光强变化。因此，在注入端检测后向瑞利散射的光强就可以得

13、到传感光纤所处外界环境的信息，并且利用入射脉冲光与入射端检测到的后向瑞利散射光的时间差能够实现位置信息的测量。1.2.2.3基于瑞利散射技术的分布式光纤传感技术1.2分布式光纤传感技术（1）OTDR技术OTDR技术采用大功率的光脉冲注入传感光纤,然后在同一端直接检测沿光纤轴向向后传输的瑞利散射光功率。光时域反射计技术经常应用于光纤衰减、连接损耗、破裂点和裂纹的测量。1.2.2.3基于瑞利散射技术的分布式光纤传感技术OTDR原理图1.2分布式光纤传感技术（2）-OTDR技术同时检测应变和振动的-OTDR方案，通过激光器的扫频实现应变的检测，固定某一频率实现振动信号的检测，在时间序列内的OTDR光

14、强信号对光纤位置逐点进行快速傅里叶变换（FFT)，得到光纤位置处的振动信号的频谱，在9km的传感光纤上实现了2m的空间分辨率和10n的应变测试精度。1.2.2.3基于瑞利散射技术的分布式光纤传感技术-OTDR原理图1.2分布式光纤传感技术（3）COTDR技术COTDR采用稳定性高的强相干光源，检测系统本振光与后向瑞利散射光的干涉信号实现分布式测量。稳定性高的窄线宽激光器发出连续光，耦合器将激光分成两束，一束经过声光调制器(AOM)调制脉冲光序列，脉冲光序列通过一个光环形器后注入到被测光纤，另一束用作本振光。脉冲光序列在被测光纤中产生后向瑞利散射信号，后向瑞利散射信号通过光环形器进入一个耦合器与

15、本振光形成外差相干，通过探测器检测干涉信号，解调出中频信号的功率，完成分布式传感测试。1.2.2.3基于瑞利散射技术的分布式光纤传感技术COTDR原理图1.2分布式光纤传感技术（3）COTDR技术2016年,电子科技大学的YujiangRao团队提出了基于90光混频器的IQ零差解调检测的COTDR方案，本振光与后向瑞利散射光分别注入90光混频器，生成精确的IQ信号，此方法有利于消除偏振衰落带来的影响。使用PZT模拟实现了动态应变实验测试，实现了振动信号的幅值、频率的解调以及不同频率信号的还原，实现了传感范围为12.56km，空间分辨率为10m的系统测试。1.2.2.3基于瑞利散射技术的分布式光

16、纤传感技术基于I/Q零差解调检测的COTDR原理结构图振动信号时频域解调结果图不同频率的振动信号解调结果图1.2分布式光纤传感技术（3）COTDR技术2017年，中国科学院上海光学精密机械研究所的QingYe、HaiwenCai团队提出了基于相位解调双脉冲的COTDR方案，为了消除干涉衰落导致的假信号，设计了时延可调的迈克尔逊干涉，将声光调制器调制后的脉冲光变化为0/相位交替变化的双脉冲，分别接受奇数偶序列实现扰动信号的解调，实现了正弦、方波以及三角波信号解调，信噪比达到20dB。采用时域排序多频光源技术在9.6km的传感范围内实现了高达0.5MHz的扰动信号的解调。1.2.2.3基于瑞利散射

17、技术的分布式光纤传感技术COTDR原理结构图COTDR实验结果1.2分布式光纤传感技术（3）COTDR技术2017年，南京大学的XupingZhang团队提出了基于外差调制的COTDR方案，将高干涉激光模块发出的光一分为二，98%的激光被声光调制器移频调制为脉冲光注入传感光纤,从传感光纤返回的后向瑞利散射信号与另一路的2%激光在耦合器处发生干涉,干涉光进入平衡探测器进行光电转换。在此方案中,他们提出了一种基于光纤上两位置处的时间差的扰动信号定位方案，并使用两个间隔0.3m的PZT模拟两个同时发生的扰动信号源，Vs=sin(27*80t)，Vs,=sin(27*45t)+sin(2z*90t),

18、实验结果显示系统能够很好的完成扰动信号的区分。1.2.2.3基于瑞利散射技术的分布式光纤传感技术COTDR原理结构图COTDR实验结构图COTDR实验结果1.2分布式光纤传感技术（3）COTDR技术在上述的诸多COTDR方案里，一般都需要采用频率稳定性好且线宽窄的激光器作为光源，这是因为自外差过程是后向瑞利散射光与本振光的卷积，激光器线宽决定中频信号带宽，中频信号带宽越窄越有利消除带外信号的干扰。激光器频率稳定性在COTDR系统中也是非常重要的，探测光信号在被测光纤中往返需要一定的时间，在此时间内本振光的频率发生了改变，导致外差中频信号发生改变，如果频率改变较大的话，中频信号跳到带通滤波器通带

19、以外，导致探测光信号的丢失，影响系统的测量精度。1.2.2.3基于瑞利散射技术的分布式光纤传感技术1.2分布式光纤传感技术（4）POTDR技术POTDR技术是一种测量光背向瑞利散射信号中偏振信息的技术，可用于测量沿光纤长度方向的光纤中的偏振态分布，从而完成分布式光纤传感检测。目前POTDR技术采用线偏振光测量方法，为了保证最大注入光纤光功率，POTDR系统中需要偏振控制器，为了完成某偏振态的光功率的检测，系统中一般需要起偏器和检偏器。1.2.2.3基于瑞利散射技术的分布式光纤传感技术POTDR原理图1.2分布式光纤传感技术并联复合型分布式光纤传感技术是指将Michelson、Mach-Zehn

20、der、Sagnac等光纤干涉仪与-OTDR系统并联连接结合的技术，两套系统独立运行，其中光纤干涉仪负责实现外界扰动事件信息的时频信息（幅值、相位、频率等相关信息）的解调，-OTDR系统完成位置信息的解调。1.2.3并联复合型布式光纤传感技术1.2分布式光纤传感技术2014年，重庆大学的肖向辉等人为了实现高频响和高空间分辨率的同时测量，提出了基于Michelson干涉技术与-OTDR技术相结合的的分布式测量方法，Michelson干涉仪负责实现高频率信号的还原，后向瑞利散射信号负责实现振动信号的定位，此系统分别为Michelson干涉仪和-OTDR系统提供了不同光波长的连续光和脉冲光。在本方案

21、的实验结果中，系统完成了最大频响为8MHz、空间分辨率2m的振动信号还原。1.2.3并联复合型布式光纤传感技术POTDR原理图POTDR结果1.2分布式光纤传感技术2016年，北京交通大学的ShengLiang等人提出了相位敏感光时域反射计（-OTDR）和迈克尔逊干涉仪(MI)相结合的方案以达到降低报警率（NAR），-OTDR和MI采用波分复用的方式进行工作，-OTDR提供位置信息，MI干涉仪进行频域分析，通过-OTDR和MI同时检测到实际干扰时，才会提供真实的报警。通过实验发现，NAR可以通过单个OTDR从13.5%降低到1.2%，检测概率高达92%。1.2.3并联复合型布式光纤传感技术-O

22、TDR和MI结合的结构示意图1.2分布式光纤传感技术2016年,天津大学的YiShi利用两个不同波长的窄线宽激光器作为-OTDR和Mach-Zehnder干涉仪（MZI）的光源，组成反射仪和干涉仪，-OTDR完成事件的定位功能，MZI实现事件频率的解调，实现了1-50MHz的宽频率的检测，在2.5km的检测范围了实现了20m的空间分辨率的检测。1.2.3并联复合型布式光纤传感技术-OTDR和MZI结合的结构示意图-OTDR和MZI结合的实验结果图1.2分布式光纤传感技术串联复合型分布式光纤传感技术是指Michelson、Mach-Zehnder、Sagnac等光纤干涉仪与-OTDR系统串联连接

23、结合的技术，协调运行,通过脉冲光的时间以及解调后向瑞利散射光的相位信息实现外界扰动事件位置和时频信息（幅值、相位、频率等相关信息）的检测。1.2.4串联复合型布式光纤传感技术1.2分布式光纤传感技术2013年南安普顿大学的Masoudi等人利用非平衡MZI，在1km范围内实现了不同位置处不同频率的动态应变测量，最小可探测应变为80ns，并在OFS2014上报道了该系统对声波的响应能力，相比之前的-OTDR，传感性能迈进了一大步。1.2.4串联复合型布式光纤传感技术实验结果图基于非平衡MZI的-OTDR原理图1.2分布式光纤传感技术2015年，中国科学院半导体研究所FangGS等人提出了基于相敏

24、光时域反射计（-OTDR）和相位生成载波解调算法的分布式光纤传感方案，在系统的接收端引入了非平衡迈克尔逊干涉仪，含有扰动信号的后向瑞利散射光将在迈克尔逊干涉仪里产生干涉,利用相位载波解调算法来解调出瑞利散射信号的相位信息，通过试验测试得到-OTDR系统的噪声电平约为3x103rad/Hz，信噪比约为30.45dB，并且-OTDR系统实现了10km的传感长度、6m空间分辨率的实时测量。1.2.4串联复合型布式光纤传感技术基于PGC的-OTDR原理图实验结果图1.3分布式光纤传感技术比较采用强度解调方式的OTDR、POTDR虽然具有定位精确、信号算法简单等优点，但需要多次平均以提高信号的信噪比，导

25、致系统的测量频率响应和灵敏度都难以提高;采用相位解调方式的-OTDR只是实现了探测光脉冲宽度范围内不同散射点之间的后向瑞利散射光干涉信号的相位解调,信号的信噪比不高;采用相位解调方式的COTDR采用本振光与后向瑞利散射光干涉，光路及解调算法较复杂且对激光器性能要求较高。基于瑞利散射的分布式光纤传感技术比较表实现方案解调类型光源要求探测方法全信息解调OTDR强度宽带直接否-OTDR相位窄线宽相干是POTDR强度窄线宽直接否COTDR相位窄线宽相干是1.3分布式光纤传感技术比较1.3分布式光纤传感技术比较Michelson干涉仪(MI)和-OTDR并联结合、Mach-Zehnder干涉仪（MZI）

26、和-OTDR并联结合的技术，此技术兼备了干涉仪与OTDR的优点，但系统采用波分复用技术致使系统结构复杂，并且多事件发生时，事件的频率、幅值等信息无法与位置相对应;非平衡MZI和-OTDR串联结合实现了后向瑞利散射信息的干涉，此技术采用单一光源，光路系统简单，但具有易受环境影响、后向瑞利散射偏振影响等问题;Michelson干涉仪（MI）和-OTDR串联结合，该系统受制相位生成载波解调（PhaseGenerateCarrier,PGC）算法局限性，动态范围受到限制。复合型分布式光纤传感技术比较表实现方案光源复用系统优点系统缺点MI+-OTDR两个并联高频信息解光路复杂；位置与事件无法对应MZI+

27、-OTDR两个并联高频信息解光路复杂；位置与事件无法对应-OTDR一个串联多事件同步PGC动态范围受载波频率限制-OTDR一个串联多事件同步易受环境、偏振等环境影响1.3分布式光纤传感技术比较第一章：分布式光纤传感小结光纤传感器按照传感范围及原理可以分为点式、准分布式及分布式三大类，简述了分布式光纤传感技术的概念，并对分布式光纤传感技术的两大类（基于干涉技术的分布式光纤传感技术和基于后向散射技术的分布式光纤传感技术）进行详细描述，最后对几种基于后向散射技术的分布式光纤传感技术的优点和缺点进行对比。本章从光纤传感入手，层层推进，逐渐趋于细致，最后介绍基于后向散射技术的分布式光纤传感技术。第一章：

28、分布式光纤传感习题1光纤作为传感器的优势有哪些？2谈谈你对分布式光纤传感技术的理解。3分布式光纤传感技术按照原理可分为哪几类？4简述光纤中三种散射的区别。5在光纤传感器中，常用的干涉仪有哪些？6简述-OTDR系统的工作原理。7比较-OTDR与COTDR，分析其优点和缺点。8比较BOTDR与BOTDA，分析其优点和缺点。第二章分布式光纤声振技术原理分布式光纤传感技术与应用目 录/CONTENTS高相干光激励后向瑞利散射离散模型2.22.1瑞利散射原理2.3基于空间差分干涉的声波相位检测原理分布式光纤传感技术与应用2.1瑞利散射原理当传输介质的分子密度不具有均匀性，换言之分子密度的不均匀性大于光波

29、长范围，在此情况下，光波将产生比较大的强度差别的次波源。如图所示，光波传输过程中产生了其它方向的光线，此方向的光我们称为散射光，图(a)表示微粒尺寸较大导致光波发生反射，图(b)表示微粒尺度比波长小致使光波发生散射的情形。2.1.1 瑞利散射光波散射原理图2.1瑞利散射原理2.1.1 瑞利散射2.1瑞利散射原理2.1.2 光纤中后向瑞利散射光强度分布2.1瑞利散射原理2.1.2 光纤中后向瑞利散射光强度分布2.1瑞利散射原理2.1.2 光纤中后向瑞利散射光强度分布2.1瑞利散射原理光纤中沿轴向的后向瑞利散射光具有与入射光同频、同偏振态的特性。通过瑞利散射光功率的概率密度函数（PDF）的推导得出

30、入射光的相干长度远远大于光纤长度情况下的瑞利散射光的统计特性。考虑到入射光的相干长度远远大于脉冲光“点亮”光纤长度情况，对每一个散射点均可采用随机向量与加入相干背景的叠加模型，该模型需要首先满足以下两个假设：（1）光纤中的散射点的相位、幅度两种参量是相互独立的；（2）各个散射点之间的相位、幅度都具有独立性。2.1.3 光纤中后向瑞利散射光相位分布2.1瑞利散射原理2.1.3 光纤中后向瑞利散射光相位分布2.1瑞利散射原理2.1.3 光纤中后向瑞利散射光相位分布2.1瑞利散射原理2.1.3 光纤中后向瑞利散射光相位分布2.2高相干光激励后向瑞利散射离散模型2.2 高相干光激励后向瑞利散射离散模型

31、2.2高相干光激励后向瑞利散射离散模型瑞利散射离散模型图2.2 高相干光激励后向瑞利散射离散模型2.2高相干光激励后向瑞利散射离散模型2.2 高相干光激励后向瑞利散射离散模型2.2高相干光激励后向瑞利散射离散模型2.2 高相干光激励后向瑞利散射离散模型2.2高相干光激励后向瑞利散射离散模型2.2 高相干光激励后向瑞利散射离散模型后向瑞利散射光检测光路后向瑞利散射光检测光路2.2高相干光激励后向瑞利散射离散模型2.2 高相干光激励后向瑞利散射离散模型2.2高相干光激励后向瑞利散射离散模型2.2 高相干光激励后向瑞利散射离散模型2.2高相干光激励后向瑞利散射离散模型2.2 高相干光激励后向瑞利散射

32、离散模型2.2高相干光激励后向瑞利散射离散模型2.2 高相干光激励后向瑞利散射离散模型2.2高相干光激励后向瑞利散射离散模型2.2 高相干光激励后向瑞利散射离散模型2.2高相干光激励后向瑞利散射离散模型2.2 高相干光激励后向瑞利散射离散模型2.3基于空间差分干涉的声波相位检测原理2.3.1 光纤声波相位调制机理2.3基于空间差分干涉的声波相位检测原理2.3.1 光纤声波相位调制机理2.3基于空间差分干涉的声波相位检测原理2.3.1 光纤声波相位调制机理2.3基于空间差分干涉的声波相位检测原理2.3.1 光纤声波相位调制机理2.3基于空间差分干涉的声波相位检测原理空间差分干涉光路示意图2.3.

33、2 空间差分干涉基本原理2.3基于空间差分干涉的声波相位检测原理2.3.2 空间差分干涉基本原理2.3基于空间差分干涉的声波相位检测原理2.3.2 空间差分干涉基本原理2.3基于空间差分干涉的声波相位检测原理2.3.2 空间差分干涉基本原理2.3基于空间差分干涉的声波相位检测原理2.3.3 核心参数相关性分析2.3基于空间差分干涉的声波相位检测原理2.3.3 核心参数相关性分析2.3基于空间差分干涉的声波相位检测原理整个干涉系统空间分辨率示意图2.3.3 核心参数相关性分析2.3基于空间差分干涉的声波相位检测原理2.3.3 核心参数相关性分析2.3基于空间差分干涉的声波相位检测原理2.3.3

34、核心参数相关性分析2.3基于空间差分干涉的声波相位检测原理2.3.3 核心参数相关性分析2.3基于空间差分干涉的声波相位检测原理2.3.3 核心参数相关性分析2.3基于空间差分干涉的声波相位检测原理2.3.3 核心参数相关性分析2.3基于空间差分干涉的声波相位检测原理2.3.3 核心参数相关性分析2.3基于空间差分干涉的声波相位检测原理2.3.3 核心参数相关性分析2.3基于空间差分干涉的声波相位检测原理2.3.3 核心参数相关性分析2.3基于空间差分干涉的声波相位检测原理2.3.3 核心参数相关性分析2.3基于空间差分干涉的声波相位检测原理2.3.3 核心参数相关性分析2.3基于空间差分干涉

35、的声波相位检测原理2.3.3 核心参数相关性分析2.3基于空间差分干涉的声波相位检测原理2.3.3 核心参数相关性分析第二章：分布式光纤传感技术与应用小结本章在瑞利散射原理的基础上重点研究了光纤中的后向瑞利散射光的强度分布和相位分布特性，在此基础上提出了高相干光激励后向瑞利散射离散模型，阐明了离散模型中点振动信号的空间展宽理论。第二章：分布式光纤传感技术与应用习题1瑞利散射的定义是什么？简述光纤中的瑞利散射原理。2试分析后向瑞利散射离散模型，推导光波相位变化与声波信号的调制原理。3简述空间分辨率的定义，并推导过程。4按照频率响应的定义，分布式光纤传感系统的扫频是20kHz，脉宽是100ns，采

36、样频率是100MHz，请计算光纤分布式传感系统的频率响应范围、定位精度、空间分辨率。第三章分布式光纤声振技术系统组成分布式光纤传感技术与应用目 录/CONTENTS声/电光调制器3.23.1激光器光电探测器3.43.3光放大器分布式光纤传感技术与应用3.1激光器近几年，光纤激光器因其具有优异的光束质量、非常高的功率和功率密度、易于冷却、高的稳定性和可靠性等多方面的优点引起了研究人员和应用者日益浓厚的兴趣，已经在和将在通信、医疗、军事等领域大展身手，并在多种应用场合取代气体和固体激光器。光纤激光产品的出现以及性能的不断改善，必将加快激光在各种领域的应用，从而提高工业生产水平和人们的生活质量。光纤

37、激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发出来。在泵浦光作用下光纤内很容易形成功率密度升高，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”，当适当加入正反馈回路(构成谐振腔)便可形成激光振荡输出。3.1 激光器3.1激光器光纤激光器和其它激光器一样，由能产生光子的增益介质，使光子得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔和激励光跃迁的泵浦源三部分组成。纵向泵浦的光纤激光器的结构如图所示。一段掺杂稀土金属离子的光纤被放置在两个反射率经过选择的腔镜之间，泵浦光从左面腔镜耦合进入光纤。左面镜对于泵浦光全部透射和对于激射光全反射，以便有效利用泵浦光和防止泵浦

38、光产生谐振而造成输出光不稳定。右面镜对于激射光部分透射，以便造成激射光子的反馈和获得激光输出。这种结构实际上就是Fabry-perot谐振腔结构。泵浦波长上的光子被介质吸收，形成粒子数反转，最后在掺杂光纤介质中产生受激发射而输出激光。3.1.1 光纤激光器基本原理光纤激光器原理示意图3.1激光器3.1.1 光纤激光器基本原理（a）三能级（b）四能级激光输出可以是连续的，也可以是脉冲形式的，依赖于激光工作介质。对于连续输出，激光上能级的自发发射寿命必须长于激光下能级以获得较高的粒子数反转。通常当激光下能级的寿命超过上能级时，只能获得脉冲输出。光纤激光器有两种激射状态，一种是三能级激射，另一种是四

39、能级激射。图(a)(b)分别表示三能级和四能级跃迁系统的简化能级图。两者的差别在于较低能级所处的位置。在三能级系统中，激光下能级即为基态，或是极靠近基态的能级。而在四能级系统中，激光下能级和基态能级之间仍然存在一个跃迁，通常为无辐射跃迁。3.1激光器电子从基态提升到高于激光上能级的一个或多个泵浦带，电子一般通过非辐射跃迁到达激光上能级。泵浦带上的电子很快弛豫到寿命比较长的亚稳态，在亚稳态上积累电子造成电子数多于激光下能级，即形成粒子数反转。电子以辐射光子的形式放出能量回到基态。这种自发发射的光子被光学谐振腔反馈回增益介质中诱发受激发射，产生与诱发这一过程的光子性质完全相同的光子。当光子在谐振腔

40、内所获得的增益大于其在腔内的损耗时，就会产生激光输出。理论上四能级光纤激光器的阐值低于三能级系统。3.1.1 光纤激光器基本原理（a）三能级（b）四能级3.1激光器1.激光介质本身就是导波介质，耦合效率高；2.光纤芯很细，纤内易形成高功率密度,可方便地与目前的光纤传输系统高效连接;3.光纤具有很高的“表面积/体积”比，散热效果好，因此这种光纤激光器具有很高的转换效率，很低的激光阈值，能在不加强制冷却的情况下连续工作;4.光纤具有极好的柔绕性，激光器可以设计得相当小巧灵活，有利于在光纤通信和医学上的应用；5.借助光纤方向耦合器构成各种柔性谐振腔，使激光器的结构更加紧凑、稳定。6.光纤还具有相当多

41、的可调参数和选择性，能获得相当宽的调谐范围和相当好的单色性和稳定性。7.从效果上看，光纤激光器是一种高效的波长转换器，即由泵浦激光波长转换为所掺稀土离子的激射波长。正因为光纤激光器的激射波长是由基质材料的稀土掺杂剂所决定，不受泵浦波长的控制，所以可以利用与稀土离子吸收光谱相对应的廉价短波长、高功率半导体激光器泵浦，获得光纤通信低损耗窗口的1.3m和1.55m以及23m中红外波长的激光输出，泵浦效率很高。3.1.2 光纤激光器的特点3.1激光器3.1.3 光纤激光器的分类分类方法种类按输出光波分类组成模式单波长光纤激光器和多波长激光器单模光纤激光器和多模光纤激光器波段S-波段（1280-1350

42、nm）、C-波段（1528-1565nm）和L-波段（1561-1620nm）按光纤截面结构分类单包层、多宝层和光子晶体光纤激光器按谐振腔结构分类F-P腔、WDM谐振腔、光纤光栅谐振腔等按工作机制分类上转换光纤激光器和下转换光纤激光器按工作方式分类脉冲激光器和连续激光器按掺杂元素分类掺铒（Er3+）、钕（Nd3+）、镨（Pr3+）、钬（Ho3+）、镒（Yb3+）、铥（Tm3+）等15种按增益介质分类稀土嘞掺杂光纤激光器、非线性效应光纤激光器、单晶光纤激光器和塑料光纤激光器等3.1激光器3.1.3.1 稀土类掺杂光纤激光器稀土元素用途3.1激光器3.1.3.1 稀土类掺杂光纤激光器3.1激光器3

43、.1.3.2 光纤受激拉曼散射激光器受激拉曼散射光纤激光器示意图3.1激光器3.1.3.3 光纤光栅激光器光纤光栅激光器分类介绍分布Bragg反射器光纤光栅激光器（DBR）分布反馈（DFB）光纤光栅激光器DBR、DFB 光纤光栅面临的问题有：由于谐振腔较短，使得泵浦的吸收效率低；谱线较环形激光器宽，模式跳跃现象等，这些问题都在不断解决中。提出的改进方案有：采用 Er:Yb 共掺杂光纤作增益介质、采用内腔泵浦方式、主振荡器和功率放大器一体化等。3.1激光器作为一种实现短波长可见光的高效实用经济的有效手段，上转换光纤激光器近年来发展也较为迅速。频率上转换(简称上转换)光纤激光器是一种振荡频率比泵浦

44、频率高的光泵激光器。3.1.3.4 上转换光纤激光器上转换发光的产生主要有三种过程步进多光子吸收过程多个激发态离子的共协上转换过程光子雪崩上转换过程3.1激光器3.1.3.4 上转换光纤激光器3.1激光器窄线宽激光器具有极强的相干性和单色性，在激光雷达、相干探测、光纤传感和光谱学等领域都有着重要的应用。尤其在分布式光纤传感系统中，这是目前光纤传感领域最热门和最有发展前景的技术之一，窄线宽激光器作为信号激发源起着不可替代的作用。所谓窄线宽激光器，就是通过可调滤波器、F-P 滤波器、Bragg 光栅等波长选择器对增益谱内起振的纵模数进行限制，只让满足特定条件的少数几个纵模，甚至只有一个纵模发生激光

45、振荡。实现激光光谱窄线宽输出的方法有多种，如分布反馈（DFB）结构、短腔分布布拉格反射（DBR）结构、光纤环形腔结构和利用饱和吸收体或超窄带通滤波器的腔外滤波法等等。其中，分布反馈光纤激光器凭借线宽窄、噪声低、可调谐范围宽，以及与光纤通信和光纤传感系统完全兼容等优点，在激光雷达、光纤传感、光纤通信以及激光光谱学等领域有着极其广泛的应用前景。3.1.3.5 窄线宽激光器3.1激光器近年来随着掺杂光纤制作技术及光纤光栅刻写技术的发展，在光纤上直接写入光栅而构成线型腔光纤激光器的技术也越来越成熟。而线型腔光纤激光器具有体积小、重量轻、噪声低、线宽窄以及易于大规模组阵复用等优点，而被广泛的应用在光纤激

46、光传感领域。分布反馈光纤激光器是在一段掺杂光纤上直接写入一个相移光栅而构成的线型腔光纤激光器，这类激光器的谐振腔长度都在厘米量级，且输出激光都是窄线宽低噪声的高相干光。分布反馈光纤激光器是由泵浦源、增益介质以及激光谐振腔构成。增益介质就是掺杂稀土离子的光纤，常用的有掺杂铒离子、镱离子以及铒离子镱离子共掺杂几种光纤。对于掺杂铒离子的光纤来说，采用的泵浦源一般是980nm和1480nm泵浦源。对于光纤激光器来说，激光谐振腔就是指的 相移光栅，相移两端的两光栅可以看做是谐振腔的两腔镜。光纤激光器输出激光具有单模单频、噪声低、线宽窄等优点，并且光纤激光器尺寸小、重量轻、结构简单、成本低、易于大规模组阵

47、复用以及可实现全光纤化等优点，在传感领域具有着显著的优势。3.1.3.6 分布反馈光纤激光器3.1激光器3.1.3.6 分布反馈光纤激光器激光器实物图DFB-FL结构示意图自 2010 年起，山东省科学院激光研究所开展了分布反馈光纤激光器技术的研究，掌握了核心器件有源相移光纤光栅的制作工艺，在光纤激光传感器的应用研究上已取得了丰富的成果。光纤激光器的工作原理如图所示，DFB-FL主要由泵浦光、980/1550WDM、掺铒相移光纤光栅、隔离器和 980nm 匹配光纤等构成。980nm 泵浦源输出的泵浦光经过 980/1550nm 波分复用器（WDM）的980 端传输进入 DFB 光纤激光器，DF

48、B 光纤激光器产生的激光经过 980/1550nmWDM 的 1550nm 端输出，在输出端接入一个隔离器来阻止激光反射回到 DFB 的谐振腔影响激光器的运行。3.1激光器掺铒光纤取适量长度两端与匹配光纤熔接，构成刻写光栅的备用光纤，采用动态相位掩模板法制作相移光纤光栅。DFB-FL 的核心为有源的 相移光纤光栅，它同时起着增益介质、谐振腔和选频器件的作用。传统的 DFB 光纤激光器就是在一段掺杂铒离子的光纤上直接写入一个 相移光栅，且 相移位于光栅的中间位置，相移两端的光栅可以看做为谐振腔的两腔镜。相移光栅的折射率调制深度呈均匀分布，如图所示。3.1.3.6 分布反馈光纤激光器 DFB光纤激

49、光器的折射率调制深度分布3.1激光器与普通光栅相比，相移光栅的纵向折射率调制在中间位置发生了一个 相位突变，是在布拉格光栅的反射谱中间打开了一个窄带的透射峰，也可以说是在透射谱中间打开了一个窄带的反射峰，相移光纤光栅光谱如图所示，可以看出相移光栅透射谱中间有一个窄带的反射峰。中间狭缝的波长取决于相移量的大小，相移为 时，中间狭缝波长为布拉格波长，当有泵浦光激励时，在中间狭缝波长处会产生激光输出，并且 DFB 光纤激光器两端产生的激光输出功率相等。3.1.3.6 分布反馈光纤激光器典型的相移光纤光栅光谱3.1激光器3.1.3.6 分布反馈光纤激光器动态相位掩模板法光纤光栅制作系统我们采用动态相位

50、掩模板法制作相移光纤光栅，制作系统原理图如图所示。与常规的二次曝光法或遮挡法等相比，动态相位掩模板法具有工艺灵活，相移位置和相移量精确可控的优点。以常用的 ITU C34 通道为例，制作波长为 1550.120.1nm(25)的掺铒相移光栅，光栅长度设定为 38mm，裸纤区长度一般为 42mm 左右，光栅基本上完全写在铒纤上，即铒纤长度就是 3840mm，980 匹配光纤在熔接点外约各有 12mm裸纤，这段长度用来封装时粘胶，相移位置在 0.45Lg 处，近相移点端为窄线宽激光的输出端，会有标签标记。3.1激光器掺铒 相移光栅认定合格的参数标准是：波长：1550.120.1nm25 效率：1（