分布式光纤温度、应力传感系统 姓名：于淼 学号：2012552040 一、 相关光纤传感原理 1、 光纤传输特性 光纤主要由纤芯、包层和涂敷层构成。石英光纤的纤芯和包层基质均为二氧化 硅，只是掺杂比例不同。这使得纤芯折射率略大于包层折射率，以构成全反射型传 输光波导结构。传输光纤的技术特性包括：截止波长、损耗特性、色散特性及非线 性效应等。 当光波射入介质中时，若介质中存在某些不均匀性(如电场、相位、粒子数密度、 声速等)使光波的传播发生变化，这就是光散射。可以认为光与介质之间的作用有 以下三种：一是若介质是均匀的，且不考虑热起伏，光通过介质后，不发生任何变 化，沿原光波传播方向进行，与介质间无任何作用；二是若介质有某种起伏，不很 均匀，光波与介质中的不均匀物质作用后被散射到其他方向，但该起伏与时间无关， 散射光的频率就不会发生变化，只是波矢方向受到偏射，这就是弹性散射；三是若 介质中的不均匀性随时间而变化，光波与这些起伏交换能量，使散射光的能量，即 频率发生变化，就产生非弹性散射。 2、 布里渊散射 介质密度起伏通过压力变化引起的非弹性散射，称之为布里渊散射。该散射谱 线与拉曼散射相似，也包含两个成份，分布在瑞利散射谱线的两侧。光纤中的布里 渊散射是由入射光与光纤自身的声子相互作用产生的，同拉曼散射相同，也属于非 弹性碰撞，有能量转换发生，包含斯托克斯和反斯托克斯两种成份，但与拉曼散射 不同的是，由于入射光与光纤自身的声子相互作用而引起的介质能级间距变化的差 异很小，谱线的分布距瑞利散射谱线很近而且较窄。 3、受激布里渊散射 受激布里渊散射，作为光纤中的重要非线性现象，早在 1964 年就被发现，现被 广泛研究。具体地说，受激布里渊散射是由介质中的非线性效应引起的，特别是与 声学声子有关系的那部分非线性。一个入射光子被转换成能量稍低一点的、通常是 反向传输的散射光子和一个声子。这个过程在低能量的情况下自发进行，当介质中 的入射光达到一定阈值后就会变成强烈的受激效应，这时布里渊散射将表现出入射 光的大部分能量。这个过程涉及到后向散射波的强烈非线性光增益，即在某一合适 光频率的微弱的原后向传输波被极大地放大。 目前有两种物理机理来解释受激布里渊散射中的入射光、斯托克斯光和声波之 间的相互作用，一种是光吸收原理，也就是入射光子吸收或发射声子，而产生不同 频率的光子；另一种是电致伸缩原理，也就是材料密度的变化导致光密度的变化， 再加上声子运动引起的多普勒效应，使之产生多普勒频移。下面主要就电致伸缩原 理详细解释受激布里渊散射过程中三种相互作用波之间的非线性耦合关系。 

二、 系统原理 1、系统原理图及说明 下图是基于布里渊散射的分布式光纤温度应变传感系统(DTSS)的结构图。在该 系统中，主要有几大部分：分布式反馈激光器(DFB laser)的驱动，光电调制器的控 制，掺铒光纤放大器的设计与制作，后向散射信号的处理，信号采集和处理以及软 件编程和界面显示。 DTSS1 的结构图 激光光源发出的偏振光被 98/2 的偏振耦合器分成两部分：98%和 2%，其中 98%的偏振光进入光电调制器的子系统中进行调制得到符合要求的脉冲光，该脉冲 光的各种参数，如脉宽、发生频率等均由光电调制器的电脉冲控制决定。然后该脉 冲光进入掺铒光纤放大器中进行放大，该掺铒光纤放大器的结构采用双向泵浦结构， 既具有较高增益，又具有较低的噪声。放大后的光脉冲经滤波器滤除掺铒光纤放大 器的噪声和光环行器后进入传感光纤中引发布里渊后向散射信号。该散射信号包括 瑞利散射光、布里渊散射光和拉曼散射光，由于拉曼散射光与瑞利散射光的距离较 远，相差约 100 nm ，则普通的滤波器即可将拉曼散射光滤除。然后瑞利散射光和 布里渊散射光先经过 75/25 的光耦合器分成两束光，其中在①路中，25%的光进入 125 MHz 的光电探测器中，再经过低通滤波器和放大器进入数据采集卡里，进行 处理；另 75%的光与从激光光源里出来的光在 75/25 的光耦合器中进行混合，使得 瑞利散射光成份加强。混合光进入光电探测器中进行同源外差干涉，可以得到约为 

11GHz 的外差干涉信号。该电信号经过放大器和滤波器后，在功率分束器中进行 功率分配，一路(②路)直接进入微波探测器中，将高频信号转化成低频信号，然后 经过低频放大器后进入采集卡中进行数据采集处理；另一路(③路)先经过一个频率- 强度转换器，将频率的不同转化为强度的不同，进而进入微波探测器中，将高频信 号转化为低频信号，然后经过低频放大器后进入采集卡中进行数据采集处理。①② 两路经过某种处理即可得到布里渊后向散射光的光强变化量，同时可以消除由于激 光光源不稳或线路损耗等的影响；而②③两路信号经过一定的处理便可以得到布里 渊后向散射光的频移变化量，同时也可以消除由于激光光源不稳或线路损耗等的影 响。另外需说明一下，这里所选用耦合器的分光比，是为了得到足够好的布里渊散 射信号，进而得到较强的后续处理信号。 2、 系统基本原理 在光纤中的散射光主要包括瑞利散射光、布里渊散射光和拉曼散射光。由于拉 曼和瑞利散射光的中心波长差异很大，约为 100 nm ，因此一般的光滤波器便可用 于滤除拉曼散射光，这样在后向散射光中只有瑞利和布里渊散射光。实际上，若后 续信号处理过程中利用的是交流部分，根本无须考虑拉曼散射光，因为系统中的光 探测器不能响应拉曼散射和其他散射光之间的如此高频率的散射光。另外，若是自 发布里渊散射光，除了斯托克斯光成份，必须考虑反斯托克斯光成份。若仅仅检测 布里渊频移，利用以下的检测方法，无须考虑此点，因为在布里渊散射光中，温度 和应变变化引起的斯托克斯和反斯托克斯成份的移动方向是一致的；但是若要同时 检测布里渊散射光功率的变化，则需要考虑该问题。然而，若是受激布里渊散射， 在布里渊散射光中，相比较斯托克斯光而言，反斯托克斯光相当微弱，所以反斯托 克斯光可以被忽略；即使反斯托克光不能被忽略，可以使用一个低通滤波器来滤除 反斯托克斯成份，相比较滤出布里渊斯托克斯成份的极窄带通滤波器而言，则容易 许多。总之，无论哪种情况下，12GHz 的高频率探测器的交流输出端口只输出布 里渊斯托克斯和瑞利散射光的干涉交流信号。 假设瑞利散射光的电磁场和布里渊散射(斯托克斯成份)光的电磁场如下：   tE R 其中 R 表示瑞利散射光， B 表示布里渊散射光。那么输出光电流为  cos tw B  cos tw R   tE B B  R  E E   R B 2       i tE tE    B R    2 cos { cos t E      R R B R   cos EE EE     BR B BR  E    t    t   2 B R B R B   cos  B  t     R B R }  在公式中，有四个子项，分别对应四个频率成份。由于高频光探测器的物理过 程，前两项是直流功率项，取决于探测器的光谱响应特性，后两项不同于前两项， 它们是时间变化项，不取决于探测器的光谱响应特性，而取决于探测器的频率响应 R   太高，光探测器不能对最后一项进行响应。因此，鉴于频带为 特性。因为 10 KHz -12 GHz 的高频光探测器的光谱响应特性和频率响应特性，可以得到以下 B 

关系式： i      2 E R 2  2 E B 2  EE R B   cos  B  t    R  R B      这样就可以从高频探测器的交流输出端口得到与布里渊频移有关的交流信号了。 三、 系统测试 1、 系统实物图 2、 温度测试 温度和布里渊频移变化量之间的关系 3、 应力测试 

应变和布里渊频移变化量之间的关系