空分復(fù)用分布式光纖傳感技術(shù)研究.pdf

1、作為光纖傳感領(lǐng)域中最重要的研究方向之一，分布式光纖傳感技術(shù)可以提供長(zhǎng)距離（數(shù)十到上百公里）和高空間分辨率（米或亞米量級(jí)）的參數(shù)測(cè)量，具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。然而，傳統(tǒng)的單模光纖受限于其幾何結(jié)構(gòu)和導(dǎo)光特性，一般只能提供一個(gè)空間通道的傳輸，不便于多種傳感技術(shù)的復(fù)用，使得傳統(tǒng)的基于單模光纖的分布式傳感器一般一次只能做到對(duì)單個(gè)物理量的監(jiān)測(cè)，而無(wú)法實(shí)現(xiàn)多參量、多維度的同時(shí)監(jiān)測(cè)。此外，傳統(tǒng)的基于單模光纖的布里淵分布式光纖傳感器普遍存在著溫度、應(yīng)力交叉敏

2、感的問(wèn)題，因此尋找有效可靠的可區(qū)分測(cè)量方案具有切實(shí)意義。近年來(lái)隨著光纖空分復(fù)用關(guān)鍵器件的快速發(fā)展和逐步成熟，空分復(fù)用技術(shù)已成為通信擴(kuò)容的新突破口，另一方面我們認(rèn)為空分復(fù)用技術(shù)也將能為分布式光纖傳感帶來(lái)新的實(shí)施方式、新的解決方案和新的應(yīng)用領(lǐng)域。
　　本論文從這一思路出發(fā)，系統(tǒng)地探索了基于多芯光纖、少模光纖的空分復(fù)用分布式光纖傳感技術(shù)機(jī)理與應(yīng)用研究，包括空分復(fù)用的布里淵光時(shí)域反射儀/分析儀（BOTDR/A）、拉曼光時(shí)域反射儀（ROTD

3、R）和基于掃頻相關(guān)峰檢測(cè)的相位敏感光時(shí)域反射儀（Φ-OTDR）等，取得了較大進(jìn)展，包括：實(shí)現(xiàn)了基于多芯光纖布里淵檢測(cè)的長(zhǎng)距離、分布式三維形狀傳感，提出了兩種有效解決布里淵分布式傳感器中普遍存在的溫度、應(yīng)力交叉敏感的方法，還初步實(shí)現(xiàn)了基于掃頻相關(guān)峰檢測(cè)的Φ-OTDR技術(shù)并用于高靈敏度的溫度測(cè)量和彎曲測(cè)量。主要研究工作總結(jié)如下：
　?。?）研究了多芯光纖中布里淵散射的特征，并在國(guó)際上首次報(bào)道了偏心纖芯中的布里淵頻移對(duì)彎曲敏感的特征。實(shí)

4、驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在偏心纖芯中布里淵頻移對(duì)彎曲敏感，針對(duì)這一現(xiàn)象作者經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析給出了詳細(xì)的數(shù)值模型，經(jīng)過(guò)標(biāo)定驗(yàn)證了布里淵頻移與光纖彎曲的曲率大小呈線性關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，給出了基于布里淵應(yīng)力測(cè)量實(shí)現(xiàn)的分布式彎曲角和曲率大小求解的理論模型和數(shù)值計(jì)算方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，同時(shí)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)地誤差計(jì)算分析。進(jìn)一步地，借助于弗萊納公式（Frenet-Serret formulas），最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳感光纖三維形狀的重構(gòu)。
　?。?）提出并實(shí)現(xiàn)

5、了基于異質(zhì)多芯光纖空分復(fù)用的布里淵光時(shí)域分析儀。研究了異質(zhì)多芯光纖中布里淵散射的特征，發(fā)現(xiàn)不同預(yù)制棒制成的纖芯的布里淵頻移稍有不同，他們的溫度靈敏度也不相同，但應(yīng)力靈敏度卻基本一致。基于此，本論文提出利用不同纖芯所具有的不同靈敏度，通過(guò)求解系數(shù)矩陣來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度、應(yīng)力的可區(qū)分測(cè)量。為了解決偏心纖芯中的布里淵頻移對(duì)彎曲敏感的問(wèn)題，提出先將兩個(gè)對(duì)稱外層纖芯的布里淵頻移求平均，再用平均后的頻移信息與中間芯聯(lián)立求解。該方案實(shí)現(xiàn)了基于異質(zhì)多芯光纖彎曲

6、不敏感的溫度、應(yīng)力可區(qū)分測(cè)量。
　?。?）提出基于多芯光纖空分復(fù)用的混合拉曼、布里淵光時(shí)域反射儀（ROTDR、BOTDR）。為了解決基于單模光纖的拉曼、布里淵混合系統(tǒng)中需要分時(shí)分別對(duì)拉曼和布里淵信號(hào)進(jìn)行測(cè)量所造成的不便，提出了基于多芯光纖空分復(fù)用的拉曼、布里淵混合系統(tǒng)，兩者共用相同的脈沖產(chǎn)生裝置，但在不同的纖芯中分別實(shí)施，因而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入泵浦光功率的有效管理，對(duì)于ROTDR這一路要保證有足夠且適度高的泵浦光輸入用以測(cè)量自發(fā)拉曼散

7、射信號(hào)，而對(duì)于BOTDR這一路則可利用衰減器控制輸入泵浦功率以避免鏈路中非線性效應(yīng)（如受激布里淵散射）的產(chǎn)生，通過(guò)空間換取時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了ROTDR和BOTDR的同時(shí)測(cè)量。所提出的空分復(fù)用混合系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)溫度、應(yīng)力可區(qū)分測(cè)量提供了一種有競(jìng)爭(zhēng)力的備選方案。
　?。?）提出基于少模光纖空分復(fù)用的相位敏感光時(shí)域反射儀（Φ-OTDR）。利用基于掃頻相關(guān)峰檢測(cè)的Φ-OTDR實(shí)現(xiàn)了超高靈敏度的分布式溫度傳感，初步驗(yàn)證了利用少模光纖進(jìn)行高精度分布式彎

8、曲測(cè)量的可行性。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)基模對(duì)彎曲不敏感而高階模對(duì)彎曲敏感，而兩者受到相同的溫度和縱向應(yīng)力作用，因此可以用基模對(duì)高階模進(jìn)行溫度和縱向應(yīng)力作用的補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)溫度和縱向應(yīng)力不敏感的高靈敏彎曲測(cè)量。該技術(shù)提供了一種強(qiáng)有力的長(zhǎng)距離分布式彎曲測(cè)量方案。
　　可以看到，空分復(fù)用的物理傳輸鏈路為分布式光纖傳感器帶來(lái)了全新的實(shí)施方式，實(shí)現(xiàn)了全新的應(yīng)用，并為傳統(tǒng)的單模光纖系統(tǒng)中普遍存在的交叉敏感問(wèn)題提供了良好的解決方案，也將能讓多種傳感技