基于瑞利后向散射光干涉原理的分布式光纤振动传感器研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 45.13MB 120 页 15积分

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基于瑞利后向散射光干涉原理的

分布式光纤振动传感器研究

摘要

分布式光纤振动传感器具有抗干扰能力强、传感距离长、传感单元无源等优点

近年来引起了科研人员们的广泛关注。分布式光纤振动器是基于光在光纤中的干

涉实现振动传感的,振动的传感和传输在同一根光纤内实现。本论文研究了基于光

纤中瑞利后向散射光干涉原理的分布式光纤振动传感器，从后向散射光干涉理论

系统设计、后向散射信号放大和振动信号侧向定位等几个方面进行了研究。

首先，研究了几种不同类型的分布式光纤振动传感理论。对基于 M-Z 干涉原

理的分布式光纤振动传感、基于 Sagnac 干涉原理的分布式光纤振动传感、基于相

位敏感 OTDR 原理的分布式光纤振动传感进行了研究和分析。接着，研究了光纤中

瑞利后向散射光干涉理论，并分析了瑞利后向光信号在光纤中产生干涉的模型。

同时，对直接检测和相干检测的光电检测技术进行了研究，为本系统中瑞利后向

散射光的检测提供了很好的理论支撑。

其次，基于光纤中瑞利后向散射光干涉理论，完成了分布式光纤振动传感器

的系统设计。并对系统的光源模块、光脉冲调制模块、脉冲光信号放大模块、光电检

测模块、数据采集模块和数据处理模块的参数进行设计和优化，最终实现了对系

统参数的整体优化设计。

然后，研究了瑞利后向散射信号放大技术，针对传统的信号放大方法存在的

不足，创新提出了时域可变增益系数的信号放大方法。根据光纤中瑞利后向散射

光信号返回光电探测器的时刻，对放大器的放大增益系数进行动态调整，实现瑞

利后向散射光信号的分布式补偿。

最后，对分布式光纤振动传感器的侧向定位技术进了研究，分析了分布式光

纤振动传感器中不同传感点所测得振动信号的特性。创新提出了基于振动信号到

达不同传感点时延理论的侧向定位技术，根据振动信号到达光纤中不同传感点的

时间差来对计算振动事件的侧向位置。同时，分析了影响系统侧向定位精度的因

素，提出了优化系统侧向定位精度的方法。

关键词：光纤传感　瑞利后向散射　干涉振动

ABSTRACT

Distributed optical fiber vibration sensor has attracted a lot of research interests in

recent years due to its capabilities of immunity to electromagnetic interference, long-

distance sensing range, no power supply in sensing unit. The theory of distributed

optical fiber vibration sensor is based on light interference in optical fiber, in which the

sensing and transmission of vibration signal are achieved at the same time. In this paper,

we introduced a distributed optical fiber vibration sensor based on the theory of

Rayleigh backscattering light interference in optical fiber, and the theory of back-

scattering interference, backscattering amplification method, lateral positioning method

and system design were studied and analyzed.

First, several different types of distributed optical fiber vibration sensor based on

the theory of M-Z interference, Sagnac interference and the phase sensitive OTDR were

studied and analyzed. And then, the theory and model of Rayleigh backscattering light

interference in fiber were studied and analyzed. At the same time, the photodetection

techniques of direct detection and coherent detection were studied, which provides a

good theoretical support for Rayleigh backscattering light detection in this system.

Second, we have finished the system design of distributed optical fiber vibration

sensor based on the theory of Rayleigh backscattering light interference in fiber. We

also optimized the parameters of laser module, pulse modulation module, photoelectric

detection module, data acquisition module and data processing module. And the whole

system parameters were optimized in the end.

Then, the amplification method of Rayleigh backscattering was studied. And for

the first time, we introduced the time-varying gain amplification method to distributed

optical fiber vibration sensor based on the theory of Rayleigh backscattering light

interference. The amplification coefficient of amplifier is adjusted dynamically

according to the arriving time of Rayleigh backscattering light signals in optical fiber to

photodetector, and therefore a distributed compensation to backscattering light signals is

obtained in the end.

Finally, we studied the lateral locating method in distributed optical fiber vibration

sensor, and analyzed the characteristics of vibration in different sensing points of

sensing fiber. And we presented a novel lateral locating method for optical fiber

distributed vibration sensing system based on the theory of time difference of arriving.

The lateral location is calculated by the time difference to different sensing point of

sensing fiber. At the same time, the factors which will affect lateral locating accuracy

were analyzed and optimized.

Key Word: Optical fiber sensing, Rayleigh, Backscattering,

Interference, Vibration

目  录
中 文 摘 要
ABSTRACT
目       录
第一章 绪　论........................................................1
1 光纤传感器的背景情况..........................................1
2 分布式光纤传感器的研究进展....................................2
2.1 基于瑞利散射的分布式光纤传感器..........................3
2.2 基于拉曼散射的分布式光纤传感器..........................5
2.3 基于布里渊散射的分布式光纤传感器........................8
3 分布式光纤振动传感器的研究进展...............................14
3.1 基于 M-Z 干涉原理的分布式光纤振动传感器.................14
3.2 基于 Sagnac 干涉原理的分布式光纤振动传感器..............17
3.3 基于 OTDR 原理的分布式光纤振动传感器....................20
4 本文的研究内容...............................................22
第二章 基本理论.....................................................24
1 光纤中的散射理论.............................................24
1.1 光时域反射原理.........................................24
1.2 光纤中的后向散射光谱...................................26
2 瑞利后向散射理论.............................................29
3 基于瑞利后向散射光干涉的光纤振动传感.........................31
4 瑞利后向散射光的检测.........................................34
4.1 直接检测法.............................................34
4.2 相干检测法.............................................35
4.3 直接检测与相干检测的比较...............................37
5 本章小结.....................................................38
第三章 基于瑞利后向散射光干涉原理的分布式光纤振动传感器.............39
1 系统总体设计.................................................39
2 系统光源的设计和优化.........................................43
2.1 窄线宽激光器的参数设计和优化...........................43
2.2 窄线宽激光器的结构.....................................49
2.3 窄线宽激光器的测试和分析...............................50

3  光脉冲调制模块..............................................53
3.1 光脉冲调制技术.........................................54
3.2 光脉冲调制系统结构.....................................57
3.3 脉冲参数的设计和优化...................................58
4  脉冲光放大模块..............................................62
4.1 光纤放大器.............................................62
4.2 掺铒光纤放大原理.......................................63
4.3 EDFA 用于脉冲光放大的特性...............................64
5  光电检测模块设计............................................66
5.1 光电检测模块结构.......................................66
5.2 相干解调和平衡探测.....................................67
6  数据采集模块设计............................................69
6.1 数据采集模块的设计要求.................................69
6.2 数据采集模块总体设计...................................70
6.3 前置放大子模块.........................................72
6.4 A/D 转换子模块..........................................73
6.5 数据处理子模块.........................................73
7  数据处理....................................................74
7.1 数据预处理.............................................75
7.2 振动信号的处理.........................................77
7.3 算法处理...............................................78
8  本章小结....................................................81
第四章 瑞利后向散射信号放大技术研究.................................83
1  总体介绍....................................................83
2  瑞利后向散射光放大方法......................................83
3  放大模块设计................................................84
4  测试结果及分析..............................................87
5  本章小结....................................................90
第五章 分布式光纤振动传感器侧向定位技术研究.........................92
1  总体介绍....................................................92
2  侧向定位方法................................................92
3  侧向定位工作流程............................................94
4  测试结果及分析..............................................94

5.4.1 测试系统...............................................94
5.4.2 测试数据...............................................95
5.4.3 数据分析...............................................99
5.5  本章小结...................................................100
第六章 总结与展望..................................................102
参考文献...........................................................104

第一章绪论

第一章绪　论

1.1 光纤传感器的背景情况

光纤传感技术[1]是20世纪 70 代随着光通信技术[2]的发展而发展起来的一项

新型传感技术。发展至今，光纤传感技术已经成为与光纤通信技术具有相同地位

的一类技术。光纤传感的原理是利用外界温度、应力、压力、振动、加速度、声音等

参量对光纤中激光信号的强度、相位、偏振态等参数进行调制，从而实现对外界信

号的感知和测量。与传统的电子式传感器相比，光纤传感器具有以下优点：

结构简单、体积小、重量轻、功耗低，可在偏远的、复杂的环境下使用；

环境适应性强，不受外界环境的污染、腐蚀影响，可以在煤矿、油井、坑道

等恶劣环境下长期使用；

电气绝缘性高、抗电磁干扰能力强。光纤传感器采用无源光纤或无源光器

件作为前端传感单元，前端传感单元不带电。因此，光纤传感器的前端传

感单元几乎不受外界干扰信号的影响，不受电噪声的影响。基于这一特性

光纤传感器可以在电力系统强电磁干扰的场所中应用；

柔韧性较好，可以根据不同的应用场所来制作不同形状的光纤传感器；

检测灵敏度高、频带宽度大、动态范围大，可以实现长距离、高灵敏度的信

号测量；

移植性强，可以根据不同的传感机理研发出不同物理量的传感器，包括

温度、应力、压力、振动、加速度、声音等；

兼容性强，可以很方便地融入到计算机、自动化、监控等系统中，实现遥

测和控制；

由于光纤传感器有着传统的传感器无法相比的优势，已经广泛用于国防、电

力、石油、交通、石化等领域。目前，全球范围内有 40 多个国家数百家科研机构和

企业从事光纤传感器的研究和开发，可实现的光纤传感器的种类有数十种，光纤

传感器的产量以每年超过 10%的增长率在增长。

在我国，从二十世纪八十年代开始有机构进行光纤传感技术研究。从事研究

的机构主要有清华大学、复旦大学、上海交通大学、中国计量学院、中国科学院等。

发展至今，我国在光纤传感领域的研究已经取得了一定的进展，但是与欧美发达

国家相比还是有一定的差距。目前主要还是处在理论研究阶段，能够真正实现产

业化的产品种类比较少。

上海理工大学博士学位论文

因此，继续对光纤传感技术进行研究，将有助于提升我国光纤传感技术的发

展水平，加快我国光纤传感技术的产业化进程。继续对光纤传感技术进行研究，

是一个非常有应用前景和实际意义的课题。

1.2 分布式光纤传感器的研究进展

分布式光纤传感器的原理是在同一根光纤内实现信息的传感和传输，光纤既

作为传感单元又作为信号传输的媒介，测量出光纤沿线周围不同位置外界参数的

变化。同时，利用光时域反射计（Optical Time Domain Reflectometer, OTDR）技术

[3]实现对被测量信息点进行定位，实现真正意义上的分布式测量。

上世纪 70 年代末，为了满足光纤通信系统对光纤衰减和光纤断裂测量的需求，

产生了基于瑞利散射的分布式光纤传感器[4]，之后分布式光纤传感器又出现了基

于拉曼散射的分布式光纤传感器[5]和基于布里渊散射的分布式光纤传感器[6]。发展

至今，分布式光纤传感器的种类已经有分布式光纤温度传感器、分布式光纤应力

传感器、分布式光纤振动传感器等几类，传感器的性能参数也有一定程度的提高。

分布式光纤传感器的主要应用领域如下：

电力行业：实时监测电缆的运行温度、电缆接头的温度以及开关柜等高压

电气的设备的运行温度；实时监测电缆隧道、电缆廊道、电缆夹层等场所

的温度及火灾情况；

水利、建筑行业：在大坝建设过程中，实时监测大坝混凝土的凝固情况；

大坝投入运行后，实时监测大坝的渗漏情况；实时监测大坝、河堤等场所

的边坡滑坡情况；实时监测桥梁、路基、大厦等大型混凝土建筑的裂缝情

况；

交通行业：实时监测公路、地铁、高铁线路隧道的温度及火灾情况，实时

监测公路、地铁、高铁线路路基的变形和坍塌情况；

石油石化和天然气行业：实时监测石油、天然管线的泄露和破坏情况；实

时监测油库、液化气库等场所的温度和火灾情况；实时监测油井的温度、

压力等参数情况；

煤矿行业：实时监测煤矿矿道的形变、坍塌情况和煤矿井下渗水情况；实

时监测煤矿地下空间的温度及火灾情况，监测煤矿井下电气设备的温度

及火灾情况；

分布式光纤传感器主要有三类：1）基于瑞利散射的分布式光纤传感器；2）

基于拉曼散射的分布式光纤传感器；3）基于布里渊散射的分布式光纤传感器；

第一章绪论

1.2.1 基于瑞利散射的分布式光纤传感器

光在光纤中传输时由于激光和光纤材料分子的相互作用而产生后向散射,后

向散射光的光谱主要包括：瑞利后向散射光谱、拉曼后向散射光谱和布里渊后向

散射光谱。其中，瑞利后向散射光谱是由光纤折射率变化产生的散射光谱，拉曼

后向散射光谱是由光学声子产生的散射光谱，布里渊后向散射光谱是由声学声子

产生的散射光谱。

利用瑞利散射光谱效应可以做成基于瑞利散射的分布式光纤传感器，用于测

量通信光纤中的衰减和断裂。

（1）基于瑞利散射的分布式光纤传感器

基于瑞利散射的分布式光纤传感器其结构如图 1-1 所示。

图1-1 基于瑞利散射的分布式光纤传感器结构图

如图 1-1 所示，脉冲激光器产生频率、宽度和功率参数一定的脉冲光信号，

脉冲光通过光纤耦合器注入到传感光纤中。脉冲光在传感光纤发生后向散射，后

向散射光通过光纤耦合器返回光电探测器。光电探测器将后向散射光信号转换成

电信号后再送入数据采集和处理系统进行数据采集、处理和分析。数据采集和处理

模块对瑞利后向散射信号进行处理和分析，最终形成光纤沿线的整条衰减数据曲

线。通过光纤的衰减曲线就可以分析发现光纤中的异常衰减点和断裂点，为通信

系统检修人员提供准确的衰减、断裂等故障信息。

（2）基于瑞利散射的分布式光纤传感器研究进展

瑞利散射现象是由英国物理学家 Lord John William Rayleigh在 1881 年发

传感光纤

光电探测器

数据采集

和处理

耦合

器

脉冲激光器

上海理工大学博士学位论文

现的。上世纪 70 年代Barnoski M 和 Jensen S 等人率先提出一种光纤衰减特性

测量方法[7]，他们通过一个砷化镓（GaAs）激光器产生脉冲光，再通过耦合器将

脉冲光注入到玻璃光纤中。通过采集和分析光纤中返回的后向散射光，科学家们

实现了对光纤衰减的分布式测量，实现了真正的分布式光纤传感器。

1998 年，Froggatt M 和 Moore J等人提出了基于瑞利后向散射光谱的高分辨

率分布式光纤应力传感器[8]。他们采用外调制方式的激光器产生脉冲光信号，通

过采集后向散射光信号并分析后向散射光信号的强度实现高精度的测量。测试结

果显示，系统可实现应变测量精度为 10 个微应变，应变测量空间分辨率达到 30

厘米。

2000 年，Posey R、Johnson G、Vohra S 等人发表了基于相干瑞利光检测的分

布式光纤应力传感器[9]。他们提出了基于时分复用的瑞利后向光相干检测的分布

式光纤应力传感方案，实现了 0.5 米的空间分辨率，并且实现了非常低的系统噪

声。

自此，基于瑞利后向散射的分布式光纤传感技术已经越来越成熟，但是人们

仍然不断在该领域进行更深层次的研究和探索。2006 年，Bunge C、Roman K、Hans

P等人对聚合物光纤中瑞利后向散射和米氏后向散射进行了深入研究[10]，通过对

米氏散射和瑞利散射在聚合物光纤中的特性进行分析，得出了聚合物光纤中衰减

的测定方法。

2010 年，加拿大渥太华大学的鲍晓毅教授团队，对光纤中的受激瑞利散射光

谱进行了实验性的研究[11]。该课题组通过外差检测的方法成功将布里渊散射和瑞

利散射分离开，研究了布里渊光谱的线宽、受激瑞利散射的频移在普通单模光纤、

大有效面积光纤及保偏光纤中的特性。研究结果显示，在不同的光纤中受激瑞利

散射的频移不同，频移范围从 9kHz 到 30kHz 不等。同时，受激瑞利散射的光功率

也随着光纤类型的不同而不同。普通单模光纤在 7 公里处的受激瑞利散射的光功

率为 11dBm，大有效面积光纤在 7 公里处的受激瑞利散射的光功率为 4.5dBm ，而

保偏光纤在 7 公里处的受激瑞利散射的光功率为 16.5dBm 。普通单模光纤中的瑞

利散射增益吸收系数为 2×10-13m/W。

基于瑞利后向散射的分布式光纤传感器发展至今，已经历了 40 多个年头，参

数性能越来越好，稳定性也越来越高。瑞利后向散射是分布式光纤传感技术的基

础，如今利用瑞利散射原理制成的光时域反射计（OTDR）已经广泛应用于通信领

域，用来测量光纤的衰减和断裂情况。虽然基于瑞利散射的分布式光纤传感技术

已经成功实现产业化，但仍然具有很大的发展空间，因此与其相关的研究工作仍

继续进行中。

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摘要：

基于瑞利后向散射光干涉原理的分布式光纤振动传感器研究摘要分布式光纤振动传感器具有抗干扰能力强、传感距离长、传感单元无源等优点近年来引起了科研人员们的广泛关注。分布式光纤振动器是基于光在光纤中的干涉实现振动传感的,振动的传感和传输在同一根光纤内实现。本论文研究了基于光纤中瑞利后向散射光干涉原理的分布式光纤振动传感器，从后向散射光干涉理论系统设计、后向散射信号放大和振动信号侧向定位等几个方面进行了研究。首先，研究了几种不同类型的分布式光纤振动传感理论。对基于M-Z干涉原理的分布式光纤振动传感、基于Sagnac干涉原理的分布式光纤振动传感、基于相位敏感OTDR原理的分布式光纤振动传感进行了研究和分析...

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