【正文】 ........................................................................................................39 1 第 1 章 緒論 光纖傳感技術(shù)是 20世紀 70年代伴隨著光導纖維及光纖通信技術(shù)發(fā)展而另辟新徑迅速發(fā)展起來的一種嶄新的傳感技術(shù)。在光纖通信系統(tǒng)中，光纖用作遠距離傳輸光波信號的媒質(zhì)。入們很快發(fā)現(xiàn)，通信質(zhì)量易受干擾的一個原因是光纖對外界環(huán)境因素十分敏感，如溫度、壓力、電場、磁場等環(huán) 境條件的變化將引起光波參量，如強度、相位、頻率、偏振態(tài)等的變化。這一現(xiàn)象啟發(fā)人們提出了光纖傳感的概念。如果能測出光波參量的變化，就可以知道導致這些光波參量變化的溫度、壓力、電場、磁場等物理量的大小。另一方面，光纖本身有許多固有優(yōu)點：如工作頻帶寬、動態(tài)范圍大、適合于遙測遙控、長距離低損耗、易彎曲、體積小、重量輕、成本低、防水、防火、防爆、耐腐蝕、抗電磁干擾、抗輻射性能好、對被測環(huán)境影響小等等。這促使人們在各個領(lǐng)域?qū)饫w傳感器進行深入研究，使光纖傳感技術(shù)獲得了飛速發(fā)展 —— 在航天、航海、石油化工、電力工業(yè)、核工業(yè) 、醫(yī)療器械、科學研究等技術(shù)領(lǐng)域都取得了可喜的研究成果。 概括地說，光纖傳感器就是利用光纖將待測量對光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獠▍⒘窟M行調(diào)制，并對被調(diào)制過的光波信號進行解調(diào)檢測，從而獲得待測量值的一種裝置。按照光纖在傳感器中所起的作用，光纖傳感器一般可分為兩大類：功能型 —— 利用光纖本身的特征把光纖直接作為敏感元件，既感知信息又傳輸信息 (有時又稱為傳感型光纖傳感器或叫做全光纖傳感器 )；非功能 —— 利用其他敏感元件感知待測量的變化，光纖僅作為光的傳輸介質(zhì)，傳輸來自遠處或難以接近場所的光信號 (有時也稱為傳光型傳感器或叫 做混合型傳感器 )。對功能型光纖傳感器來說，核心問題是光纖本身起敏感元件的作用。一種情況是：光纖與被測量對象相互作用時，光纖自身的結(jié)構(gòu)參量 (尺寸和形狀 )發(fā)生變化，光纖的傳光特性發(fā)生相關(guān)變化，光纖中的光波參量受到相應控制，即在光纖中傳輸?shù)墓獠ㄊ艿搅吮粶y對象的調(diào)制，空載波變?yōu)檎{(diào)制波，攜帶了被測對象的信息；另一種情況是：光纖與被測對象作用時，光纖自身的結(jié)構(gòu)參量并不發(fā)生變化，而光纖中傳輸?shù)墓獠ㄗ陨戆l(fā)生了某種變化，攜帶了待測信息。對非功能型光纖傳感器來說，關(guān)鍵部件是光轉(zhuǎn)換敏感元件。一種情況是：光轉(zhuǎn)換元件與待測對象相互作 用時，光轉(zhuǎn)換元件自身的性能發(fā)生了變化，由光纖送來的光波通過它時，光波參量發(fā)生了相關(guān)變化，空載波變成了調(diào)制波，攜帶了待測量信息；另一種情況是：不采用任何光轉(zhuǎn)換元件，僅由光纖的幾何位置排布實現(xiàn)光轉(zhuǎn)換功能， 2 結(jié)構(gòu)十分簡單。從上述討論可知，無論是功能型光纖傳感器，還是非功能型光纖傳感器，最終都是利用光波參量的調(diào)制來實現(xiàn)待測信息提取的，即光波調(diào)制技術(shù)。從光波調(diào)制的形式來分類，有強度調(diào)制、相位調(diào)制、頻率調(diào)制、偏振調(diào)制及顏色調(diào)制等。 分布式光纖溫度傳感技術(shù)，就是利用光纖測量沿光纖走向幾十公里連續(xù)空間的溫度場分布情況。點式溫 度傳感器，只能測試一小部分區(qū)域內(nèi)的溫度狀態(tài)，而某些特定場合 (例如空間飛行器、大型結(jié)構(gòu)件等 )， 迫切需要對溫度場的空間分布狀態(tài)進行準確測量和實時監(jiān)控，此時雖然可以用多個點式溫度傳感器的陣列進行測試，但其測試過程復雜 ， 且不經(jīng)濟、不準確、不可靠。分布式光纖溫度測量系統(tǒng)為強電磁場、高壓大電流、易燃易爆、復雜幾何空間等惡劣環(huán)境的溫度場測量與控制，提供了可行的新手段 。 分布式光纖溫度傳感器利用光纖作為溫度信息的傳感和傳輸介質(zhì)，光纖設在整個溫度場中，可以測量光纖沿線的溫度分布情況，隨著光纖的增長，測量點數(shù)的增加，單位信息的獲 取成本大大降低，這是分布式光纖溫度傳感器相對于其它溫度傳感器的顯著優(yōu)點。 研究意義 分布式光纖傳感技術(shù)是利用光纖的相關(guān)物理特性對被測量場的空間和時間行為進行實時監(jiān)測的 技術(shù)。該項技術(shù)對水庫大壩、橋梁、飛機、輸油氣管線、大型倉儲設備、 大型變壓器 和輸電線路等應力場和溫度場分布的有效監(jiān)測有著重要的應用價值。 在科研和工程技術(shù)中有許多場合需要確定溫度和應力的分布。例如長距離輸油管道、通信電纜或電力電纜等管道的沿線溫度場分布，大型電力變壓器內(nèi)部的溫度場分布，橋梁、大壩、倉庫、大型建筑隧道、高壓容器、航天器機身等的 溫度分布，電子冶金化工等許多行業(yè)的生產(chǎn)中也都需要對多個溫度點同時進行監(jiān)控，如測量存儲易燃易爆或其它物質(zhì)的大型存儲罐的溫度分布，結(jié)構(gòu)復雜的大型設備以及回轉(zhuǎn)設備的溫度分布等。傳統(tǒng)的電溫度傳感器不能工作在強電磁環(huán)境中，也不宜在易燃易爆環(huán)境或腐蝕性環(huán)境中工作。對于采用點式溫度傳感器實現(xiàn)溫度的分布測量還存在難于安裝、難于布線、難于維護的問題。分布式光纖溫度傳感器可實現(xiàn)沿光纖連續(xù)分布的溫度場的分布式測量，測試用光纖的跨距可達幾十千米，空間分辨率高，誤差小，與單點或多點準分布測量相比具有較高的性能價格比。 3 分布式光纖溫度 傳感器具有很多優(yōu)點 : (l)光纖是本質(zhì)絕緣的，適合易燃易爆環(huán)境 。 (2)光纖中傳輸?shù)氖枪庑盘枺箯婋姶鸥蓴_ 。 (3)光纖纖細柔軟易于安裝 。 (4)可實現(xiàn)溫度的分布式測量 。 分布式光纖溫度傳感技術(shù)以其對沿光纖分布的溫度場可連續(xù)實時測量的特點而成為光纖傳感技術(shù)中較為引人矚目的一項新技術(shù)。用一根長達數(shù)千米的光纖可以連續(xù)地測量沿其分布的溫度場的實時信息具有重要的理論價值和實際意義。分布式光纖溫度傳感技術(shù)不僅具有一般光纖傳感技術(shù)的傳感和遙測傳輸方式的特點，而且由于光纖的空間連續(xù)，可以在沿光纖分布的路徑上同時得到被測量 的分布，解決許多特殊場合下其它傳感器難以勝任的測量難題。 因此，只要在一些需要多點測量溫度、應力的場合都可以見到他們的應用。而且發(fā)展勢頭迅猛，應用前景廣闊。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析 基于分布式光纖傳感技術(shù)的優(yōu)勢，其理論和應用研究一直是國內(nèi)外研究的熱點，也取得了一些卓有成效的成果。主要研究包括以下幾方面 : 1. 拓展測量長度?，F(xiàn)己經(jīng)出現(xiàn)測量 3Omk的產(chǎn)品，但在通信應用中，一般傳輸距離都可以超過。 50km，所以研制長距離的分布式光纖傳感系統(tǒng)在理論上是可行的，在實際也有需求，如長距離輸油氣管道的監(jiān)測等。 2. 進一步提高測 量系統(tǒng)的空間分辨率和測量參數(shù)分辨率?，F(xiàn)有系統(tǒng)己經(jīng)達到空間為ml，溫度為 ℃，需要進一步提高測量精度。 3. 采用新的光電器件和技術(shù)，提高系統(tǒng)性能。為提高測量精度，對光電器件有很高的要求， 而且測量信號非常微弱，需要進行大量的計算和信號處理，完成測量時間比較長，也為產(chǎn) 品化帶來了一定的難度。 國內(nèi)外在理論和應用研究已經(jīng)進行了積極的探索。依據(jù)信號性質(zhì)，該類傳感技術(shù)可分為 4類 :①利用后向瑞利散射的傳感技術(shù) 。②利用喇曼效應的傳感技術(shù) 。③利用布里淵效應的傳感技術(shù) 。④利用前向傳輸模禍合的傳感技術(shù)。 4 溫度場的分布測量是科研 和工程技術(shù)中溫度測量的重要內(nèi)容。典型的分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)，能在整個連續(xù)的光纖上，以距離的連續(xù)函數(shù)形式，測量出光纖上各點的溫度值。分布式光纖溫度傳感器是基于光纖內(nèi)部光散射現(xiàn)象的溫度特性，利用光時域反射測試技術(shù)，將較高功率窄光脈沖送入光纖，然后隨時間變化將返回的散射光強探測下來。而背向散射光強隨光纖環(huán)境因素變化而發(fā)生變化，從而可以確定沿光纖溫度、應力等物理參數(shù)，也可以確定光纖缺陷、斷裂及光纖長度等指標。從光纖返回的散射光有 3種成分 : （ 1）瑞利散射 (Rayleigh scatter) （ 2）布里淵散射 (Bri1louin scatter) （ 3） 拉曼散射 (Raman scatter) 瑞利散射由于是光與物質(zhì)發(fā)生的彈性散射，因而其波長不發(fā)生變化，對溫度不敏感。而布里淵散射和喇曼散 射是光與物質(zhì)發(fā)生非彈性散射時所攜帶出的信息，將使入射光波長發(fā)生變化。光纖的散射光譜譜線是在激發(fā)線兩側(cè)對稱出現(xiàn)的，其中布里淵散射對溫度和應，拉曼散射光中的斯托克斯光對溫度不敏感，反斯托克斯光的強度則隨溫度變化。 論文內(nèi)容 （ 1） 分布式光纖溫度測量系統(tǒng)分析 對基于拉曼散射 和 瑞利 散射的分布式光纖傳感系統(tǒng) 技術(shù)介紹，分析分布式光纖溫度 測量，和系統(tǒng)的技術(shù)指標，以及分布式光纖傳感器的器件分析。 （ 2） 分布式光纖溫度傳感器信號特點及幾種傳統(tǒng)信號處理方法 從分布式光纖傳感器的 數(shù)據(jù)處理 原理出發(fā)，分析傳感器所得信號特點，討論了傳統(tǒng)信號去噪檢測方法用于分布式溫度傳感器信號檢測去噪中存在的不足，并且進行了仿真分析。 （ 3） 基于分布式光纖溫度測量數(shù)據(jù)處理的小波分解的檢測方法；提出小波去噪的原理，和去噪方法，可以有效的抑制系統(tǒng)的噪聲，提高信噪比。并用MATLAB 仿真實現(xiàn)。 5 第 2 章 分布式光纖溫度測量系統(tǒng) 近幾十年來，為解決溫度場的 測量問題，研制出了分布式光纖溫度傳感器，它相對于以電信號為基礎的溫度傳感器和點式光纖溫度傳感器而言，無論是從測量技術(shù)的難度、測量溫度的內(nèi)容及指標，還是從測量的場合和范圍都提高到了一個新的階段。分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)，能在整個連續(xù)的光纖上，以距離的連續(xù)函數(shù)形式，測量出光纖上各點的溫度值。分布式光纖溫度傳感器的工作機理是基于光纖內(nèi)部光散射現(xiàn)象的溫度特性，利用光時域反射測試技術(shù)，將高功率窄光脈沖送入光纖，然后將返回的散射光強隨時間的變化探測下來。分布式光纖溫度傳感器基于背向散射或前向散射機理，其中背向散射具有溫 度測量的實際意義。由于實際應用場合不同，要求的技術(shù)指標也不一樣，如有些需要空間分辨率要高，如在傳輸帶托軸的溫度檢測中，測量直徑只有 10cm:有些需要測溫精度高，如水庫大壩的滲漏檢測 。有些需要長距離的傳感長度，如輸油管線的泄漏檢測 。而有些需要快速的溫度測量反映時間，如故障診斷和火災報警等。所以，系統(tǒng)設計要充分考慮應用要求，選擇合適的器件和工作參數(shù) 分布式光纖傳感器系統(tǒng)介紹 （ 1） 基于瑞利 散射的分布式光纖傳感系統(tǒng) 瑞利散射是造成光纖傳輸衰減的主要因素，是入射光與介質(zhì)中的微觀粒子發(fā)生彈性碰撞所引起的，散射光 與入射光頻率相同。由于制造等的原因，光纖的密度和組成會沿光纖發(fā)生變化，從而導致瑞利散射。其光強與波長的 4次方成反比 (1/ 4? )，因而長波長會迅速減小。當一部分散射光反射回發(fā)射端即產(chǎn)生瑞利背向散射。雖然其背向散射效應相對較強，但在常規(guī)材料的光纖中隨溫度的變化不明顯，所以在實際溫度傳感測量中應用不多。第一個分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)是 Harotg和 Pyane在1982年基于瑞利后向散射原理完成的，采用溫度敏感的液芯光纖，由于可靠性不高而限制了它的應用。光時域反射 (OTRD， Optcial time一 dmoain reflectometry) 技術(shù)可以探測光纖斷點的位置，主要在通信領(lǐng)域應用，也作為分布式 光纖傳感系統(tǒng)的一部分功能使用，即在測量系統(tǒng)中，不但要測量溫度場的分布，還要確定一旦光纖在中間某處斷裂，能立刻實時顯示。 光時域反射技術(shù)是分布式光纖傳感器的基礎。當光通過光纖所穿過的測量物理 6 場時，光能量將以 3種方式分配 : ； ； ，被光電探測器探測。 光時域 反射技術(shù)就是通過測量背向散射光來確定測量物理場的信息。 光通過光纖時，光子和光纖中因自發(fā)熱運動而產(chǎn)生的聲子會產(chǎn)生非彈性碰撞，發(fā)生自發(fā)布里淵散射。散射光的頻率相對入射光的頻率發(fā)生變化，這一變化的大小與散射角和光纖的 材料特性有關(guān)，可等效為一個以一定速度 Vb (頻率 b? )移動的密度光柵。與布里淵散射光頻率相關(guān)的光纖材料特性主要受溫度和應變的影響，因此，外界溫度和應變的變化會影響頻率的偏移。通過 測定脈沖光的后向布里淵散射光的頻移就可實現(xiàn)分布式溫度、應變測量。由于瑞利散射光較強〔布里淵散射大約比瑞利散射弱 20dB)，而布里淵散射光頻率靠近瑞利散射 光，并且應力引起的布里淵頻移一般都很小，使得直接測量極為困難 ，限制了基于布里淵。但是可以通過受激布里淵散射加強，并使用高靈敏度的相干接收器進行檢測，使布里淵散射技術(shù)在實際系統(tǒng)中獲得應用。 當光背向散射時，布里淵頻率偏移最大為 : b 2nVa/V ?? (21) 其中刀是折射系數(shù)， Va是聲速， ? 是光的波長。當使用石英光纖時， n=，Va=5945m/s,如果 ? = m? ，則 Va=。 布里淵頻率偏移隨應力和溫度變化線性增長 : ( ) ( 0 ) [1 ]( ) ( ) [1 ( ) ]V b V b C sV b t V b tr C t t tr????? ? ? (22) 其中 ? 是拉伸應變， t溫度而 tr是 參考溫度。應變和溫度的比例系數(shù) Cs=， Ct=。Horiguehi和 Culverhouse等人建議采用以上特性測量分布式光纖的應變和溫度 。 （ 2） 基于拉曼散射的分布式光纖傳感系統(tǒng) 在任何分子介質(zhì)中，自發(fā)拉曼散射將一小部分 (一般約為 106)入射功率轉(zhuǎn)移到另一頻率下移的光束中，頻率下移量由介質(zhì)的振動模式?jīng)Q定，此過程稱為拉曼效應。從量子力學的觀點來看，入射光波的一個光子被另一個分子散射成為另一個低頻光 7 子，同時分子完成其兩個振動態(tài)之間的躍遷 。入射光作為泵浦產(chǎn)生斯托克斯 (stkoes)波的頻移光。當頻率為 Vo的激光進入光纖時，在其背向會產(chǎn)生拉曼散射，即頻率不同于入射光的散射光。由于其分子量很少，所