布里渊光纤传感技术

关键词： 传感 分布式 信号处理 光纤

布里渊光纤传感技术（精选六篇）

布里渊光纤传感技术 篇1

关键词：小波滤噪,布里渊光纤传感技术,智能拉索,健康监测

0 引言

布里渊分布式传感技术是20世纪90年代发展起来的一种新型传感技术,除具有普通光纤传感器(如光纤光栅、F-P等)的抗电磁场干扰、防腐、耐潮湿以及绝对测量等优点外,其显著的优点就是采用普通单模光纤作为其传输、传感单元,可以在沿光纤路径上同时得到被测量场(温度和应变)在时间和空间上的分布信息,特别适合对大型结构如桥梁、公路以及油气管道的长期在线健康监测[1,2,3]。布里渊分布式光纤传感技术主要是通过分析光纤中布里渊背向散射信号的频移得到光纤沿线的应变和温度信息,其对传感光路或传感器的布设要求非常严格,因为一方面如果光损过大影响其测试距离,另一方面光损过大会导致布里渊测试信号信噪比低,影响测试精度。在实际应用中,特别是在土木工程这种粗放式的施工条件下,布里渊传感系统的传感光路或布设不可避免受到外部恶劣环境的干扰而导致光损过大,引起测试误差,或直接导致测试失效。在实际结构安全监测中除选择有效的布里渊传感器布设工艺外,采取有效的信号处理手段对布里渊测试信号进行二次处理,如滤掉混入信号中的噪声等,是提高信号信噪比和被测物理量测量精度一个行之有效的方法。小波分析是在傅里叶变换基础上发展起来的一种新型信号分析方法,能够比较好地表示海量信号的局部结构特征,在小波变换域中信号和噪声的变化规律随尺度的变化而不同,为较好地估计各尺度的信号、抑制噪声提供了可能[4,5,6,7,8,9]。

本文提出采用小波变换的模极大值特性对布里渊分布式光纤传感技术的实测信号进行滤噪处理,并以基于布里渊光纤传感技术的实体智能拉索的应变测试数据进行了验证,旨在以消除因噪声导致信噪比过低而引入的索力测试误差,提高索内力测试精度。

1 布里渊分布式光纤传感技术

布里渊散射是光在光纤中传播的时候,与光纤中不规则的微观粒子发生非弹性碰撞产生的光散射现象,或可以简单描述为入射到介质中的光波场与介质内热激励声波相互作用而产生的一种光散射现象。由于声波的存在,导致光纤材料的密度发生变化,从而对光纤折射率产生周期性的调制。声波的传播,使布里渊散射光的频率产生一个多普勒频移,即称为布里渊频移。布里渊频移与光纤介质的折射率n和光纤中声速VA有关,其计算公式如下:

式中:λp为泵浦光波长,vB为布里渊频移。

光纤折射率以及声速与光纤所处的温度场和应变场有关,进而布里渊散射光受温度、应变调制。研究表明,在不考虑温度应变耦合作用的情况下,布里渊散射光的频移与其相应的温度、应变有如下线性关系:

式中:Cε、TC分别为布里渊应变和温度灵敏度系数,vB0为某一初始状态的布里渊频移,Δε为某荷载下相对于初始状态的应变的增量,ΔT温度变化量。

2 小波变换及消噪原理

2.1 小波变换

连续小波变换定义为

式中:ψ(x)称为小波母函数,满足∫ψ(x)dx=0;WTx(a,b)对应于f(x)在函数族ψa,b(x)上的分解;a,b分别为伸缩和平移因子;ψa,b*(x)表示ψa,b(x)的共轭函数。

在实际应用中,通常对尺度因子a按幂级数进行离散化,对伸缩因子b进行均匀离散取值以覆盖整个时间轴,则函数f(x)可以表示以基本小波函数为单位的加权和[10]:

式中:ψj,k(x)由基本小波函数经过平移和收缩得到,ψj,k(x)=2j/2ψ(2jx-k),j=,0,12,k∈Z,离散小波变换系数Cj,k=WTx(a 0j,kb0)=∫f(x)ψ*j,k(x)dx,a=a0m,a0>0,m∈Z。

2.2 小波滤噪

通常一维含噪声信号可以表示为真实信号和噪声信号的叠加:

式中:s(k)表示一维含噪声信号,f(k)表示一维不含噪声真实信号,e(k)为标准高斯噪声信号。一般来说,f(k)是拟平稳、低频信号,表示信号近似部分;e(k)是高频信号,表示信号的细节部分。

图1为一个三层小波分解树,其中s表示原始信号,Ai(i=1,2,3)表示不同尺度下低频信号,Di(i=1,2,3)表示高频信号,一般噪声就包含在这些高频信号里。由于信号的Lipschitz指数大于0时,其小波变换极大值的幅度将随尺度而增加;然而噪声的Lipschitz指数是负数,故噪声小波变换模极大值随尺度因子的增大而减小,利用这一特性可将信号和噪声分开,从而达到去噪的目的[11]。

小波滤噪过程就是消除混入高频信号中的噪声,重建低频信号或真实信号。而小波能够滤噪主要基于小波变换有低熵性、多分辨率特性、去相关性以及小波基函数选择灵活等特点。Matlab的小波工具箱为小波滤噪提供了许多专用函数,如一维小波分解函数wavedec.m主要用于信号压缩和滤噪,waverec.m或wrcoef.m函数对小波分解信号进行重构。本文基于Matlab小波工具箱的滤噪过程为:首先选择合适的小波基函数利用小波分解函数如wavedec.m对原始信号进行多尺度分解,然后据小波分解模极大值的特点通过阀值消噪或强制消噪的方法对高频系数进行处理,最后通过小波重构函数如wrcoef.m对信号进行重构,最终达到消噪的目的。

3 小波去噪在提高布里渊索力测试精度中的应用

3.1 索力监测原始数据分析

在河北巨力集团索具有限公司制作了智能拉索,如图2所示,其主要指标为:长20.3 m、钢丝数为61丝、拉索单根钢丝直径7 mm、单丝弹性模量210 GPa、破断索力为3990 k N,FRP-OF(纤维增强塑料-光纤)智能筋直径为5 mm,应变和温度灵敏度系数分别为0.046 4 MHz/με和1.12 MHz/℃左右[12,13]。智能索感知性能实验在河北巨力集团索具有限公司1000T卧式材料实验机上进行(如图3所示)。试验分为9级加卸载,荷载步分别为878 kN、998 kN、1 306 kN、1 734 kN、2 161 kN、1 773 kN、1 344 kN、1 029 kN和911 kN。每级荷载保载5 min,然后由BOTDA测试仪表记录数据,试验荷载由试验机上的力传感器控制。试验中BOTDA系统空间分辨率为0.5 m,距离采样间隔为0.1 m,频率扫描步长3 MHz。

图4中原始信号(Raw signal)由智能拉索中FRP-OF智能筋在各级荷载下的原始应变数据组成(由BOTDA仪表测试布里渊频移经式(2)计算得到),即将各级荷载的FRP-OF智能筋的原始应变数据连接起来构成一维空间数据,数据点为3 552个,信号中每一个台阶对应一个荷载步。从图4可以看出,原始数据中有很多“毛刺”或奇异点,这些奇异点一部分可能是噪声(噪声的引入主要是由于测试系统本身的不稳定性以及智能拉索制作上光纤接头过多导致光损过大等因素所致),另一部分可能是拉索某点由于应力集中导致的应变过大所致,属于正常信号。

3.2 基于db5小波滤噪结果与分析

本文选择db5小波,利用Matlab工具箱中的多尺度一维小波分解函数wavedec.m,对索力测试原始信号进行5尺度的小波分解,然后通过wrcoef.m函数分别重构各低、高频信号,如图5所示。显然,从图5可以看出,信号高频部分D1、D2以及D3的模极大值是随尺度的增加而减小的,而高频部分D4、D5与低频信号A5成良好的周期性,除端部位置外,信号的模极大值随尺度因子的增加而增加,高频信号D4和D5中噪声主要集中在智能拉索的两端部位置,原因是端部位置一方面由于应力比较集中应力复杂外,另一方面端部位置也是光纤接头集中的位置,故此处信号受噪声干扰明显,如图5中“虚线”所示的位置。根据以上分析,采用强制消噪方法直接将前3尺度分解中高频系数置于0,用D5、D4和A5重构信号f(k),如图4所示(Denoised signal),高频D1、D2和D3重构噪声信号。从图4中可以看出,经过滤噪的信号比原始信号光滑的多,滤噪后的残余噪声信号主要集中在智能索的端部位置。图5中,纵坐标单位为με,横坐标为采样点。

图6为直接从原始测试信号中计算出来的各级荷载下智能拉索索体各点平均索力分布,该平均索力由智能拉索中两根智能筋FRP-OF所监测的索力在各点的平均值。可以看到在轴向拉伸作用下,未经滤噪处理的各点平均索力分布曲线有许多毛刺或尖峰,在索体某些位置,内力比控制索力大许多。图7为测试信号从经过小波滤噪后计算出来的各级荷载下智能拉索索体各点平均索力分布,与图6中索体索力分布曲线相比,经滤噪后的索力分布曲线比较平坦,除索体端部位置外各点内力基本与控制索力相等。

图8给出了智能拉索在各个荷载步下滤噪前后索体总平均索力的大小,明显可见,经小波滤噪后总平均索力比较接近控制索力;图9为各级荷载下总平均索力滤噪前后与控制索力的误差,未经小波滤噪的误差最大达到8.8%左右,经过小波滤噪后总平均索力测试最大相对误差为5.1%左右,其各级荷载下,经过小波滤噪的误差比未经过小波滤噪的误差都小。

4 结论

布里渊光纤传感技术 篇2

基于布里渊散射的分布型光纤温度和应变传感技术,利用布里渊强度和频移随温度和应变呈线性变化的关系,结合光时域反射技术、光时域分析技术或者光频域分析技术可实现对温度和(或)应变的全分布式测量[1]。最初利用布里渊散射实现温度和应变同时测量的方法是在传感光纤的旁边放置一根参考光纤。传感光纤用来测量被测场的温度和应变信息;参考光纤处于松弛状态,仅用于测量被测场的温度信息,然后从传感光纤的测量结果中扣除温度信息以获得待测量场的应变信息,从而实现温度和应变的同时测量。由于这种方案需要同时并行布置两套光纤,在大多情况下难以实用,因此需要研究更实用的方法。

目前,已报道的基于布里渊散射的分布型光纤温度和应变同时测量方法主要有3种:布里渊散射谱双参量同时测量的方法、双布里渊频移同时测量的方法及联合拉曼散射和布里渊散射效应法,且布里渊散射的测量可以用外差检测方案或直接检测方案来实现。本文将对布里渊分布型光纤温度和应变同时传感的实现方法进行探讨,并对其实现方案进行分析比较,给出一种可行的方案。

1 基于布里渊散射的温度和应变同时传感的方法

1.1 布里渊散射谱双参量同时测量的方法

光纤布里渊散射谱服从洛伦兹分布,可由布里渊频移、布里渊线宽和布里渊峰值功率等参量描述。由于这些参量的变化信息都包含光纤的温度和应变信息,所以利用布里渊散射谱的参量与温度和应变之间的对应关系便可实现温度和应变的同时测量[2]。在已报道的研究中多以布里渊频移νB和布里渊功率PB与温度和应变的关系进行测量。光纤布里渊频移和功率随温度和应变的变化可表示为

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式中,δνB是布里渊频移变化量;δPB/PB是布里渊功率相对变化量;δTz及δ εz分别为光纤的温度和应变的变化量; CνT及Cνε分别为布里渊频移的温度系数和应变系数;CPT及CPε分别为布里渊功率的温度系数和应变系数。由式(1)求得δTz及δ εz,即可实现对温度和应变的同时测量。

将沿光纤分布的散射点中单个点产生的布里渊散射光通过频率扫描的方式进行曲线拟合,对其进一步分析便可确定布里渊频移和功率。在该方法中,布里渊峰值功率的变化除了由温度和应变的变化引起外,还将受沿光纤线路的光纤损耗、弯曲和接头等的影响。为了消除光纤线路其他因素的变化对布里渊功率的影响, T. P. Newson等人[3]于1996年第一次提出利用Landau-Placzek Ratio(LPR)实现温度测量的方案。随后,在2000年T. P. Newson等人又报道了基于马赫-曾德干涉仪(MZI)直接检测的温度和应变同时传感系统[4]。

LPR定义为瑞利散射光功率PR与布里渊散射光功率PB之比,即LPR=PR/PB。

利用MZI的窄带滤波特性从背向散射信号中将微弱的自发布里渊散射信号分离出来,从而实现自发布里渊信号的强度检测。由于MZI的功率传输函数是入射光频率的函数,调节MZI的自由程使散射信号的频率位于MZI功率传输函数的线性部分,便可将散射信号频率变化量转换为强度变化量,实现频移检测。该方法亦可通过计算瑞利信号强度与布里渊信号强度的比值来消除光纤损耗、弯曲和接头等对系统性能的影响。

1.2 双布里渊频移同时测量的方法

在普通单模光纤中,布里渊散射谱只有一个峰,而某些特种光纤具有多个散射峰,这是由其特殊的波导结构和折射率分布状态所决定的。2001年Lee等人发现在大有效面积光纤(LEAF)布里渊谱的多个峰中每个峰值频率的温度和应变系数不同,并通过同时测量主峰附近两峰值频率的方法,实现了温度和应变的同时测量[2]。

在LEAF中,第1与第2布里渊峰值频率具有不同的温度和应变系数,通过测量这两个布里渊峰值频率的温度和应变系数列出一个二元线性方程组,求解该方程组便可同时得到温度和应变信息。两个布里渊峰的频移随温度和应变的变化关系可表示为

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式中,δν1是布里渊峰1的频移变化量;δν2是布里渊峰2的频移变化量;δT及δε分别为温度和应变变化量;CνT1及Cν ε1分别为布里渊峰1的温度系数和应变系数;CνT2及Cν ε2分别为布里渊峰2的温度系数和应变系数。由式(2)求得δT及δε,即可同时确定沿光纤的温度和应变分布。

最近南京大学董玉明等人通过实验证明了LEAF布里渊谱的峰1与峰3的峰值功率的差值随应变线性增加,而与温度无关;3个峰的布里渊频移都随温度和应变的增加而线性增加,且峰2的布里渊频移与温度及应变的关系具有很好的线性度。因此他们提出采用峰1与峰3的峰值功率的差值与应变的关系联合峰2的频移同温度和应变的关系,实现温度和应变的同时测量,此方法获得了约130 μ ε的应变测量精度和8 ℃的温度测量精度[1]。

1.3 联合拉曼散射和布里渊散射效应法

T. P. Newson等人在2004年提出了联合自发拉曼散射和自发布里渊散射进行温度和应变同时测量的方法[5]。该方法首先利用自发拉曼散射仅对温度敏感而对应变不敏感的特性,通过分布式拉曼温度传感器测得光纤上的温度信息,并利用分布式布里渊传感器测得包含温度和应变信息的布里渊频移,然后计算出光纤上的应变信息。分布式拉曼温度传感器通常使用第2个光源来测量瑞利信号的光强,并将瑞利光强与用另一光源测得的拉曼信号光强进行归一化处理,消除光纤损耗、微弯和接头损耗对系统性能的影响。归一化拉曼光强的变化与温度变化的关系可以表示为

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式中,ΔTR(L)是位置L处温度的变化;ΔIR(L)是位置L处归一化拉曼光强的变化;CTR是拉曼光强的温度系数。

布里渊频移变化包含温度和应变信息,从布里渊频移的测量结果中扣除温度的影响,便可得到光纤位置L处应变的变化为

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式中,ΔνB(L)是L处布里渊频移的变化;Cundefined是布里渊频移的温度系数;Cundefined是布里渊频移的应变系数。

2 温度和应变同时传感的实现方案

2.1 直接检测

自发布里渊直接检测原理框图如图1所示。该方案中,脉冲光通过定向耦合器入射到传感光纤。

背向散射光同时包含瑞利散射和布里渊散射,但瑞利散射光强比布里渊散射光强约大20 dB,使布里渊散射完全淹没在瑞利散射中,并且包含很强的瑞利相干噪声。所以在进行光电检测前必须使用光滤波器(MZI或法布里-珀罗干涉仪FPI)将瑞利散射和布里渊散射分离,才能实现自发布里渊散射信号强度的检测。实现温度和应变的同时测量,还必须检测出布里渊散射的频移。利用MZI不仅可以实现从背向散射光中将布里渊散射分离出来,而且通过合理地设计MZI,还可以对布里渊散射信号的频率进行检测,实现光鉴频功能。

2.2 外差检测

布里渊外差检测原理框图如图2所示。该方案与直接检测方案的主要区别在于光源发出的连续光被定向耦合器分成两部分,一部分由电光调制器(EOM)调制为脉冲光后入射到传感光纤,另一部分作为本振光与散射光一起入射到光电检测器进行外差检测,取出差频分量,即布里渊频移信号,对布里渊频谱进行分析处理,实现布里渊强度和频移的同时测量。

2.3 直接检测方案与外差检测方案的比较

从性能上来看,外差检测输出为散射光和本振光的差频成分,可以解决光源频率漂移对系统性能的影响,提高系统的稳定性与可靠性。由于直接检测方案需要高稳定性的滤波器(MZI或FPI),系统易受外界环境的影响,所以必须采用良好的密封或自动控制电路使系统稳定。外差检测通过带通滤波取出差频成分,能很好地抑制系统中窄谱光源产生的相干噪声,从而有利于提高系统信噪比及动态范围。外差检测的极限信噪比为直接检测的两倍,而且只要本振光足够强,外差检测很容易达到极限信噪比,从而可以提高系统的温度和应变测量精度。

从信号处理上来看,外差检测可获得有关光信号的全部信息,而直接检测只能获得光信号的强度变化,不能获得光频和光相位的变化。外差检测对信号光和本振光要求较高的波前匹配条件,那些不能满足波前匹配条件的杂散光被自动滤除,只要信号光和本振光的频率是稳定的,检测通道的通频带恰好覆盖有用中频信号的频谱范围。因此,外差检测具有良好的空间滤波和光谱滤波能力[6]。

从成本和复杂度来看,外差检测需采用高速光电检测器,并要求很高的保偏性能,故必须对光电检测器的输入光进行偏振控制,而且外差检测方案为了将布里渊信号下变频到便于处理的低频段需要可调微波本振源及微波混频器等器件,系统成本较高[6]。直接检测方案由于采用了将频率变化转化为强度变化的斜率鉴频原理,可采用普通光电二极管,成本低。但为了提高MZI鉴频灵敏度,必须减小MZI的自由程,即增加干涉仪两臂的光程差,从而导致干涉仪的偏振依赖性,所以也需要对高灵敏度的干涉仪进行偏振控制,使系统变得复杂。

3 基于LPR的微波外差检测布里渊光时域反射计(BOTDR)传感系统

上述3种基于布里渊散射的分布型光纤温度和应变同时传感方法中,联合拉曼散射和布里渊散射效应法除了需要测量布里渊散射谱外,还要测量拉曼散射谱,系统结构比较复杂,实用化困难;双布里渊频移同时测量的方法由于需要特种光纤作为传感器件,难以应用到已敷设的普通光纤系统中去;联合布里渊峰值功率和频移与温度和应变的关系实现同时测量的精度较高。考虑到外差检测方案具有上述一系列优点,本文给出一种基于LPR的微波外差检测BOTDR传感方案,其基本框图如图3所示。

本方案可以在同一条光纤线路上分别测得布里渊信号光强和瑞利信号光强,通过计算瑞利信号强度与布里渊信号强度的比消除由于光纤损耗、弯曲和接头等对系统性能的影响,并精确定标光纤中布里渊频移和强度的温度和应变系数。

首先,为了获得高的布里渊散射效率,系统采用窄谱光源测量布里渊散射信号,激光器发出的光经耦合器1输出,一部分光作为本振光,另一部分光经EOM调制成脉冲光,脉冲光经掺铒光纤放大器(EDFA)1放大,由光纤光栅1滤除自发辐射(ASE)噪声后通过环行器2进入传感光纤。光在传播时产生的背向散射光经环行器2输出,再经EDFA2及光纤光栅2滤除ASE噪声,在光电检测器(PD)1中与本振光进行相干检测。为保证两束光的偏振态很好地匹配,在本振光路中加入偏振控制器。PD1输出的电信号只包括差频信号(即布里渊频移信号),直流及二次谐波分量均被滤除。这样得到的信号频率较高,无法进行精确的信号处理,需采用下变频器将频率搬移到较低的频带内,然后由数据采集及处理单元对信号进行分析处理。

其次,为了减小瑞利相干噪声,系统采用宽谱光源测量瑞利散射信号,此时采用直接检测方案。激光器发出的光经耦合器1输出,由EOM调制成脉冲光,脉冲光经与布里渊信号测量时相同的光路进入传感光纤。瑞利散射光经分光比95:5的耦合器2入射到PD 2,然后由数据采集及处理单元对信号进行分析处理。

该方案采用对布里渊频谱进行扫描的方法实现布里渊频移和强度的同时测量,进而实现温度和应变的同时测量。当下变频器可调滤波器的调节步长与带通滤波器带宽相等时,布里渊谱不同频率成分的信号依次通过低通滤波器,对滤波器输出的不同频率信号进行洛伦兹拟合,由谱的幅度最大点对应的频率确定布里渊频移,由频谱积分得到布里渊散射强度。

4 结 论

基于布里渊散射的分布型光纤温度和应变同时传感的研究已成为近些年研究的热点,本文详细分析比较了基于布里渊散射的光纤温度和应变同时传感的各种方法,探讨了实现传感方法的两种方案,并对其性能及成本做了深入的比较。在此基础上,给出了一个基于LPR的微波外差检测BOTDR温度和应变同时传感系统。该系统采用对布里渊频谱进行扫描的方式实现布里渊频移和强度的同时测量,进而实现温度和应变的同时测量。

参考文献

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布里渊光纤传感技术 篇3

光纤传感器自20世纪70年代问世以来,得到了广泛的关注,特别是近几年,光纤传感器的工程应用研究发展迅速。与传统的差动电阻式和钢弦式传感器相比,光纤传感器具有如下优点:

(1)光纤传感器采用光信号作为载体,光纤的纤芯材料为二氧化硅,该传感器具有抗电磁干扰、防雷击、防水、防潮、耐高温、抗腐蚀等特点,适用于水下、潮湿、有电磁干扰等一些条件比较恶劣的环境,与金属传感器相比具有更强的耐久性;

(2)现代的大型或超大型结构通常为数公里、数十公里甚至上百公里,要通过传统的监测技术实现全方位的监测是相当困难的,而且成本较高。但是通过布设具有分布式特点的光纤传感器,光纤即作为传感体又作为传输介质,可以比较容易实现长距离、分布式监测;

(3)光纤本身轻细纤柔,光纤传感器的体积较小、重量较轻,便于布设安装;此外,将其埋入结构物中不存在匹配的问题,对埋设部位的材料性能和力学参数影响较小。

分布式光纤传感器除了具有以上的特点外,其最显著的优点就是可以准确地测出光纤沿线任一点上的应力、温度、振动和损伤等信息,无须构成回路。如果将光纤纵横交错铺设成网状即可构成具备一定规模的监测网,实现对监测对象的全方位监测,克服传统点式监测漏检的弊端,提高监测的成功率。分布式光纤传感器应铺设在结构易出现损伤或者结构的应变变化对外部的环境因素较敏感的部位以获得良好监测结果。

对于分布式光纤传感技术,其中基于瑞利散射和拉曼散射的研究已经趋于成熟,并逐步走向实用化。基于布里渊散射的分布式传感技术的研究起步较晚,但由于它在温度、应变测量上所达到测量精度、测量范围以及空间分辨均高于其他传感技术,因此这种技术在目前得到广泛关注与研究。

布里渊散射是人射光与声波或传播的压力波(因此也是密度波)相互作用的结果。这个传播的压力波等效于一个以一定速度VB(且具有一定频率ΩB)移动的密度光栅,因此,布里渊散射可看作是入射光在移动的光栅上的散射,多普勒效应使得散射光的频率不同于入射光。当某一频率的散射光ωs与入射光ωL、压力波ΩB满足相位匹配条件,即ωL=ωs+ΩB(对光栅来说,就是对应于满足布喇格(Bragg)衍射条件)时,此频率的散射光强度为极大值。而由于散射介质的声波频率ΩB与其温度、应力等因素有关。因此,通过检测最强散射光的频率就可以间接知道散射介质的温度、应力等情况。

2 布里渊散射分布式传感技术

自从Horiguchi和Culverhouse等人首次分别提出的用布里渊散射频移特性作为分布式应变和温度传感器以来,在世界范围内,众多研究人员展开了基于布里渊散射的传感系统的研究,取得了可喜的成绩。目前,给予布里渊散射的温度/应变传感技术的研究主要集中在三个方面:

(1)基于布里渊光时域反射(BOTDR)技术的分布式光纤传感技术;

(2)基于布里渊光时域分析(BOTDA)技术的分布式光纤传感技术;

(3)基于布里渊光频域分析(BOFDA)技术的分布式光纤传感技术。

2.1 基于布里渊光时域反射技术(BOTDR)的分布式光纤传感技术

基于BOTDR的分布式光纤传感系统与光时域反射计(OTDR)相类似,基本框图如图1所示。

在OTDR中,当脉冲光在光纤中传输时,在光纤的脉冲光发送端就可以检测到由瑞利散射产生的背向散射光,背向散射光与脉冲光之间的时间延迟提供对光纤的位置信息的测量,背向散射光的强度提供对光纤的衰减的测量。在BOTDR中,背向的自发布里渊散射代替了瑞利散射,由于布里渊散射受温度和应变的影响,因此通过测量布里渊散射便可以得到温度和应变信息。

基于BOTDR的分布式光纤传感系统的优点;

(1)只需在光纤一端测量,应用方便;

(2)单个激光器实现自外差工作,容易精确控制脉冲光与连续光的频差;

(3)若本振光功率足够大,可获得最小可探测光功率;

(4)外差接收机加窄带滤波器可提高频率分辨率;

(5)用电子滤波器可以将布里渊散射光信号与瑞利背向散射光信号分开。

2.2基于布里渊光时域分析技术(BOTDA)的分布式光纤传感器

该技术最初由Horiguchi等人提出。基于该技术的传感器典型结构如图2所示。

处于光纤两端的可调谐激光器分别将一脉冲光(泵浦光)与一连续光(探测光)注入传感光纤,当泵浦光与控测光的频差与光纤中某区域的布里渊频移相等时,在该区域就会产生布里渊放大效应(当两束泵浦光在光纤中反向传播,并且二者的频差等于布里渊频移时,弱的泵浦信号将被强的泵浦信号放大,称之为布里渊受激放大作用),两光束相互之间发生能量转移。由于布里渊频移与温度、应变存在线性关系,因此,对两激光器的频率进行连续调节的同时,通过检测从光纤一端耦合出来的连续光的功率,就可确定光纤各小段区域上能量转移达到最大时所对应的频率差,从而得到温度、应变信息,实现分布式测量。

BOTDA系统的显著特点是动态范围大,测量精度高。但系统较复杂,BOTDA的泵浦激光和探测激光必须放在被测光缆的两端,因而给实际应用带来一定的困难;BOTDA技术不能测断点,应用条件受到限制。BOTDR与BOTDA技术存在的主要问题在于:

(1)激光器的稳频,对光源和控制系统的要求很高;

(2)由于布里渊频移对温度的变化也较敏感,因此,还需要考虑如何将拉伸应变引起的频移与温度引起的频移区分开来。

Horiguchi等人曾指出早期基于布里渊散射的光纤传感器包含了系统误差,这将会限制传感器的性能。1999年,E.Geinitz等人提出 对系统误差进行补偿,实验测试了12km光纤,温度误差从20%下降到3%,应变误差从833με降到33με,空间分辨率20m。

1999年,Anthony.W等人比较全面系统地分析了影响基于布里渊散射的分布式光纤传感器精度的因素及相互关系,通过调整激光脉冲宽度,系统信噪比,布里渊线宽,光纤长度等来得到较小的应变和温度误差以及较高的空间分辨率。实验结果,在500mm的空间分辨率应变误差20με,在250mm的空间分辨率应变误差为40με;信噪比每下降10dB,应变误差就提高10倍,布里渊线宽每增加10MHz应变误差提高1με。

2.3 基于布里渊光频域分析技术(BOFDA)的分布式光纤传感技术

基于布里渊频域分析技术(BOFDA)的分布式光纤传感技术是由德国的D.Garus 等人提出的一种新型的分布式光纤传感技术,实验系统基本框图如图3所示。

和BOTDR,BOTDA相比,BOFDA同样利用布里渊频移来实现温度和应变的传感,但被测量空间定位不是传统的光时域反射法,而是通过得到传感光纤的复合基带传输函数来实现的。由于不采用光时域反射法来实现空间定位,因此传感光纤两端所注入的光为频率不同的连续光,其中探测光(f2)与泵浦光(fp)的频差△V=fp-f2约等于传感光纤的布里渊频移。

为了实现传感光纤复合基带传输函数的测量,探测光首先经过频率fm可变的信号源进行幅度调制,其调制强度为注入光纤的探测光与泵浦光在光纤中相互作用的边界条件。对于每一个调制信号频率fm,在耦合器的两个耦合输出端同时检测注入光纤的探测光Is(L)和泵浦光强度Ip(L,t),这样,通过和检测器相连的网络分析仪就可以确定传感光纤的基带传输函数。

3 布里渊传感机理

光纤中的布里渊散射相对于泵浦光有一个频移,通常称为布里渊频移。其中背向布里渊散射的布里渊频移最大,并由下式给出:

vB=2nva/λ (1)

其中:vB为布里渊散频移;n为光纤纤芯折射率;va为声速;λ为泵浦光的波长。

对于普通的硅玻璃光纤,n=1.46,va=5945m/s,当泵浦光的波长λ=1.55um时,布里渊频移VB=11.2GHz。

大量的理论和实验研究证明,光纤中布里渊散射信号的布里渊频移和功率与光纤所处环境和所承受的应变在一定条件下呈线性变化关系,并由下式给出:

VB=CvT△T+CτE△ε

100△PB/PB(T,ε)=CPT△T+CPε△ε (2)

其中:△VB为布里渊频移变化量;△ε为应变的变化量;△T为温度变化量;CvT为布里渊频移温度系数;CτE为布里渊频移应变系数;△PB为布里渊功率变化量;CpT为布里渊功率温度系数;CPε为布里渊功率应变系数。

因此,在已知温度、应变系数的情况下,测定布里渊散射信号的频移和功率,通过上面(2)式就可以得到温度和应变信息,这就是基于布里渊散射的分布式传感技术的传感机理。

T.R.Parkr等人通过实验对布里渊散射的温度、应变系数进行了测量,并获得以下结果:

CvT=1.10±0.02MHz/K

CτE =0.0483±0.0004MHz/με

CpT=0.36±0.06%/K

CPε=-(7.7±1.4)+10-4%/με

对于一个实际的布里渊分布式传感系统,这些系数需要通过对系统定标来得到。

4 发展趋势

基于布里渊散射的分布式光纤传感器继承了分布式光纤传感器的优点,对于单一分布参数的测量有很高的精度和空间分辨率,但目前主要集中在温度和应变,对于其他分布信息的测试将是它发展的一个重要热点。

用一套基于布里渊散射的分布式光纤传感器来同时测试多种分布信息是提高传感器性价比的很有价值的措施,目前只有人初步从理论和实验方面研究同时测量温度和应变,同时测试更多的分布信息还是空白,在这一点上理论和算法的突破是主要障碍。

现在对于布里渊散射的分布式光纤传感器的研究还只是基于单根光纤并在光纤轴向上探测信息的一维的传感器,随着探测范围和信息量的增大仍将有局限性。所以我认为基于二维的分布式光纤传感器网络是光纤传感器发展的一个重要方向,它将可以快速准确地传感大范围的分布信息,这将极大地推动智能复合材料等领域的研究进程,也将使飞机智能分布信息测试研究进入一个新阶段。

当然,伴随着基于布里渊散射的分布式光纤传感器的发展,温度测试范围和精度不断提高,也为信号处理算法和技术提出了更高的要求,这也是光纤传感器发展中的一个重要问题。

5 结语

使用如此小的注入功率(约几个mW)取得很好的指标参数,使受激布里渊散射系统显得比Raman散射系统更加诱人,但是至今世界上仍未见到一个基于受激布里渊散射的分布测温的商业化产品。这也许是因为该系统在制造和使用上既复杂又昂贵的缘故。例如,由于布里渊频移fB很小,只有10～20GHz(由于小的声速v=1×105m/s)且其线宽△fB很窄(约50MHz),这就要求激光器要有极高的频率稳定性和极窄的(约千赫)可调线宽,且对光滤波器也有极高要求。再者,光的偏振对系统的性能有极大的影响,必须采取偏振的调谐和控制措施,这些在实际使用上都是很复杂的。因此,受激布里渊散射系统的实用化还需经历相当阶段的发展。

参考文献

[1]刘建胜,李铮,张善.光纤完全分布式温度传感系统研究进展.电子科技导报,1999,(3):10～13.

[2]T.Horigchi,T.Kurashima and M.Tateda.Tensile strain de-pendence of Brillouin frequency shift in silica optical fibers,IEEE Photon.Tech.Lett.,1989,11(5):107～108.

[3]李光宇,蒋佩璇.布里渊散射在光纤拉伸应变分布测量中的应用.光通信技术,1999,23(1):78～81.

布里渊光纤传感技术 篇4

受激布里渊散射是光纤一种非常重要的非线性效应,布里渊散射光后向传输不仅损害光源,并造成激光器的相对强度噪音恶化和增加了系统链路的“衰减”, 使系统达不到预期的功率。在光纤通信系统中,当入纤功率超过一定的阈值时,光纤的出射功率不随入射功率的增加而增加,反而下跌,系统载噪比会突然恶化,原因是产生了受激布里渊散射。受激布里渊散射是光纤通信中一种常见的非线性现象,限制了入纤功率,从而也限制了通信系统信噪比和通信距离[1,2,3]。因此在光通信系统中,人们想法设法地抑制受激布里渊散射的发生。

同时,在基于自发布里渊散射的分布型光纤传感系统中,主要是利用自发布里渊散射来实现传感测量的。为了提高测量系统的信噪比,往往希望在不发生受激布里渊散射的情况下在传感光纤中注入尽可能大的泵浦光功率,以得到较强的自发布里渊散射信号[4]。

不同光纤的受激布里渊散射阈值是不同的,因此,有必要对光纤的受激布里渊散射阈值进行研究,以便确定系统适当的入纤功率。本文设计并搭建了布里渊散射阈值测量系统,实验测量了普通通信光纤(G.652)、大有效面积的非零色散位移光纤(G.655)的受激布里渊散射阈值。

1 原 理

光纤中的受激布里渊散射是强感应声波对入射光作用的结果。被散射的光将产生一个等于布里渊散射漂移频率的偏移,变为较低的光频。如果光纤中前向和反向传输的光之间的频率差恰好等于布里渊散射漂移频率νB,则反向散射光将引起更多前向传输的光信号被反向散射。因此如果进入光纤频率为ν0的入射光功率足够大,超过某一阈值时,受激反向散射所导致的反向散射光功率可能会超过因光纤衰减而损失的功率,将出现声波场和散射光场的相干放大,从而导致大部分传输光功率被转化为后向散射光,产生受激布里渊散射。

阈值特性是受激布里渊散射的重要特性之一,即只有当入射激光强度超过一定的阈值后,受激布里渊散射才会发生。受激布里渊散射阈值的理论估算有Smith模型和Küng模型。但是,通常情况下这些阈值估算都可以用一个通用计算模型[5]:

$p{}_{\text{t}\text{h}}=GA{}_{\text{e}\text{f}\text{f}}/(g{}_{0}L{}_{\text{e}\text{f}\text{f}})(1)$

式中pth为布里渊散射阈值,G为阈值增益系数,Aeff为光纤有效截面积,g0为布里渊增益峰值,Leff为光纤的有效作用长度,Leff=[1-exp(-αL)]/α,其中L为光纤长度,α为光纤衰减系数。

影响光纤布里渊散射阈值的因素有很多,除了与光纤的长度、有效截面积有关外,还与激光波长等很多因素有关,主要体现在阈值增益系数G上。阈值增益系数计算公式为:

$G\approx \ln \left(\frac{4A{}_{\text{e}\text{f}\text{f}}\nu {}_{\text{B}}\overline{G}{}^{3/2}\text{π}{}^{1/2}}{g{}_{0}k{\rm T}\Gamma \nu {}_{0}L{}_{\text{e}\text{f}\text{f}}}\right)(2)$

式中νB为布里渊频移,k 为玻尔兹曼常数,T为绝对温度,Γ为声子衰减速率,ν0为注入激光的频率。从式(2)可以看出, 阈值增益系数G 并不是一个常数,而与很多因素有关。但对于长距离光纤,有αL≫1,则Leff≈1/α,代入式(2)得:

$G\approx \ln \left(\frac{4\alpha A{}_{\text{e}\text{f}\text{f}}\nu {}_{\text{B}}\overline{G}{}^{3/2}\text{π}{}^{1/2}}{g{}_{0}k{\rm T}\Gamma \nu {}_0}\right)(3)$

可见阈值增益系数G 与光纤长度并没有直接关系,在一定的条件下近似为一常数,G ≈ 21。

2 光纤受激布里渊散射阈值测量系统

光纤受激布里渊散射阈值测量系统如图1所示。首先将可调衰减器的衰减调到最大,然后打开激光器发射一束功率约20 mW,波长1 550 nm的光波通过隔离器和可调衰减器,通过3 dB耦合器注入到光纤中。被测光纤分别为25 km的G.652光纤和10 km大有效面积的G.655光纤。在受激布里渊散射实验中,必须在激光器和光纤之间加入隔离器,以避免Stokes光进入激光器,避免激光腔镜把Stokes光反馈回光纤,影响后面的测量结果。使用光功率计在位置1处测量光纤输出光功率,在位置2处测量入纤光功率,在位置3处测量散射光功率。通过可调衰减器调节注入到光纤中的光功率,从而实现受激布里渊散射阈值的测量。

系统中各器件的性能指标直接关系到系统整体性能的好坏。本系统选用Santur 公司TL-2020-C- 102A型波长可变半导体激光器,其工作波长为1 550 nm,输出光谱的线宽为1.6 MHz,频率误差为0.40 GHz,连续光输出功率约为20 mW。选用了武汉奥林特光电设备有限公司的PM32H型光功率计,它采用InGaAs 探测器,用于800～1 700 nm 波长范围内的光功率测量,测量范围-50～+23 dBm,显示分辨率高,可到0.001 dBm。设有850 nm、1 310 nm、1 480 nm、1 550 nm 五个波长校准点。可线性或非线性显示光功率,既可用于光功率的绝对测量,也可用于光损耗的相对测量。线性显示光功率的单位为nW、μW、mW,非线性显示光功率的单位为dBm。被测光纤为我国光纤通信领域广泛使用的G.652和康宁G.655(LEAF)光纤。

3 测量结果

该测量方法采用对光纤的传输光和反向散射光的测量来确定其受激布里渊散射阈值的大小。通过测量得到G.652光纤传输光功率、反向散射光功率与入射光功率之间的关系,如图2所示,可见随着入射光强的增加,传输光强也随之迅速增大,但是当入射光功率超过5.2 mW后,传输光出现了饱和的趋势;反向散射光随着入射光强的增加缓慢增长,但当入射光功率在5.2 mW附近时,反向散射光开始迅速增加。受激布里渊散射阈值定义为反向散射光强开始迅速增加或者传输光强开始出现饱和时的入射光功率,可以测得G.652光纤的受激布里渊散射阈值约为5.2 mW。使用相同的方法测得G.655光纤的受激布里渊散射阈值约为12.6 mW。

4 结束语

布里渊散射阈值的测量无论对于光纤通信系统还是光纤传感系统都有非常重要的意义。设计一种非常简单方便的布里渊散射阈值测量系统,利用该系统,实现了通信常用光纤G.652和康宁G.655光纤布里渊散射阈值的测量。G.652光纤的受激布里渊散射阈值约为5.2 mW,G.655光纤的受激布里渊散射阈值约为12.6 mW。可知,G.655光纤的受激布里渊散射阈值明显大于G.652光纤的。因此,无论对于光纤通信系统,还是自发布里渊散射传感系统,都应优选G.655光纤。本文的测量结果对光纤通信系统和自发布里渊散射光纤分布式传感系统用光纤的选择都有重要的参考意义。

参考文献

[1]杨建良,郭照南,查开德.调相法抑制光纤CATV中受激布里渊散射的实验研究[J].中国激光,2001,A28(5):439-442.

[2]杨建良,涂涛,查开德.入射偏振对有线电视光发射机受激布里渊散射抑制性能的影响[J].光学学报,2001,21(1):28-31.

[3]蒋洪涛,查开德.激光抖动法抑制光纤调幅有线电视外调制传输中的受激布里渊散射[J].光学学报,1998,18(8):1034-1039.

[4]BAO X,DHLI WAYO J,HERON N,et al.Experi mental and theoretical studies on a distributedtemperature sensor based on Brillouin scattering[J].JLightwave Technol,1995,13(7):1340-1348.

布里渊光纤传感技术 篇5

在分布式光纤传感技术中,基于瑞利散射和拉曼散射的分布式光纤传感技术比较成熟并且已经实用化;基于布里渊散射的分布式光纤传感技术的研究起步较晚,但由于它在温度和应变测量上可以达到高于其他传感技术的测量精度、测量范围以及空间分辨率[1,2],因此它是长距离分布式光纤传感器中最具实际应用前景的一种,并得到了广泛的关注与研究[3,4]。

近年来,国内外的专家学者致力于单模光纤布里渊散射机理及其敏感特性的研究,取得了大量研究成果,而对于多模光纤布里渊散射机理及其敏感特性的研究才刚 刚起步[5]。2011年,L.I.Victor等人测得多模光纤SBS(受激布里渊散射)阈值、布里渊频移和线宽等参数,并比较了单模光纤和多模光纤的布里渊散射特性。由于多模光纤传输大量模式,每个模式产生各自的布里渊散射谱,导致多模光纤与单模光纤 的布里渊 散射特性 有着明显 的差异[6]。2012年,Y.Mizuno等人通过 搭建OTDR(光时域反射仪)测量系统,研究了不同厂家生产的波长为1.32和1.55μm聚合物多模光纤的布里渊散射谱特性,发现由于在1.32μm处光纤传输损耗较低,使得它所获得的斯托克斯功率高于1.55μm的光纤[7]。2013年,N.Hayashi等人基于PPT (泵浦-探测技术)研究了纤 芯直径为50μm、长度为100m的渐变型多模石英光纤,测得SBS阈值约为50mW,而不采用PPT的SBS阈值为5.08 W,验证了PPT在多模光纤中的有效性[8]。上述学者虽然对多模光纤布里渊散射特性进行了实验研究,但是并未解决多模光纤布里渊散射的数学描述问题。本文从多模光纤的结构出发,基于射线光学理论分析多模光纤中的布里渊散射过程,提出确定布里渊散射角取值范围的方法,进而得到与布里渊散射角呈正弦函数关系的布里渊频移的取值范围。

1多模光纤中的布里渊散射

布里渊散射效应是注入光波场与弹性声波场间相互耦合作用而产生的一种非线性光散射现象。其特点是:散射光的频率相对于入射光的频率发生了变化,并且这种变化的大小与散射角和散射介质内声波场的特性有关。

假设入射光的角频率为ω,介质通过电致伸缩效应产生角频率为ΩB的声波场,形成一个折射率光栅,其传播速度为VA,与入射光场相互作用产生布里渊散射。入射光角频率ω、波矢量k、声波角频率ΩB 和波矢量q有以下关系

式中,c为真空中的光速;n介为介质折射率。

由于光栅运动产生多普勒效应,散射光角频率下移ΩB,产生一个角频率为ω′的斯托克斯散射光。由于在散射过程中能量和动量守恒,三个波的角频率与波矢之间关系为

式中,k′为斯托克斯光子的波矢量。斯托克斯散射光角频率和波矢量满足光波散射公式

声波的频率和波矢量在任何一个散射方向上都有一个特定的值,根据这个值的大小可以确定布里渊频移的大小。图1所示为布里渊斯托克斯散射矢量关系示意图。

由于声波角频率远远小于光波角频率,因此,可认为散射光与入射光的波矢量大小近似相等,由图1可得|q|=2|k|sin(θ/2)。由式(5)可得声波角频率的表达式为

式中,λ为入射光的波长;θ为散射角。

在多模光纤中,不同模式的场与声波相互作用产生的布里渊散射的特性不同,不同模式产生的布里渊频移可以表示为[9]

式中,nmn和θmn分别为与多模光纤模式标号有关的折射率和散射角,m表示场量沿纤芯圆周方向分布的整个驻波的个数;n表示场量沿纤芯半径方向分布的半个驻波的个数。

2多模光纤布里渊散射角取值范围

单模光纤与多模光纤因模式的区别,其散射角有着显著的不同。对于单模光纤,只有前、后向为相关方向,且光纤中的布里渊散射仅发生在后向,因此只需考虑后向散射即θ = π的情形。对于多模光纤,对应不同模式的光线入射到光纤的角度不同,从而有不同的布里渊散射角。下文利用射线光学理论分析并确定散射角的取值范围。

2.1阶跃型多模光纤

阶跃型光 纤的子午 光线如图2所示。图中,n0、n1和n2分别表示空气、纤芯和包层的折射率;φc =arcsin(n2/n1)为全反射临界角,它是入射光线与芯包界面法线的夹角,当子午光线入射到芯包界面的入射角大于φc时,发生全内反射;A和B分别是全反射临界光线上的芯包界面上的散射点和某任意散射点;αmax表示空气与光纤界面处的最大入射角。光纤数值孔径NA与αmax和φc的关系为

根据光波导理论,只有满足全反射条件的子午光线才能激励起可在光纤中远距离传输的导波模,而当子午光线在芯包界面上的入射角小于全反射临界角时,不满足全反射条件,光在芯包界面处发生折射进入包层形成包层模,并会在光纤中很快衰减掉。

光线在光纤中传输时,会在任意点、任意方向发生布里渊散射效应,但大部分散射光会在传输过程中衰减掉,只有少部分可返回到入射端并被光电检测器检测。当光线以全反射临界角入射到芯包界面上时,选取该光线上的芯包界面上的点A和任意散射点B进行分析,如图3所示。散射效应会发生在圆周内以A和B为圆心的任意方向,由于散射光线必须满足全反射条件才能在入射端被接收,即散射光与芯包界面法线的夹角必须≥φc才能返回光纤始端,故A、B两点产生能返回光纤始端散射的散射区域分别为图中阴影部分。在A点,有π/2+φc≤θmn≤π;在B点,有2φc≤θmn ≤π。因为φc<π/2,所以2φc<π/2+φc,故有2φc ≤θmn ≤π。

若光线以任意角度φ(φc <φ <π/2)入射到芯包界面上,选取该光线上芯包界面上的点A1和任意散射点B1进行分析,如图4所示。在A1点,有π/2+φ≤θmn ≤π;在B1点,有φc+φ≤θmn ≤π。因为φc <φ<π/2,所以φc+φ<π/2+φ,故有φc+φ≤θmn ≤π。由上述分析可知,当光线以全反射临界角入射时,可以得到布里渊散射角的最大取值范围为2φc ≤θmn ≤π,即

2.2渐变型多模光纤

渐变型光纤的子午光线如图5所示[10]。由于渐变型光纤纤芯折射率n1(r)是随纤芯半径r变化的,所以子午线是曲线。在渐变型光纤中,光射线是按光的折射原理而发生弯曲的。

为了便于说明问题,将沿光纤r方向连续变化的折射率分为不连续的若干层来表示,如图6所示。假设一射线以最大入射角射向光纤端面的轴心处K点,经折射进入纤芯后它先是从光密媒质向光疏媒质传输,然后与光纤轴平行,最后又由光疏媒质向光密媒质传输。由于渐变型光纤纤芯端面上不同点的集光能力不 同,当r = 0即在纤芯 的轴心处 时,n1(r)=n1(0)=n1,NA(r)有最大值,此时光线经空气耦合到光纤中的入射角是最大入射角;随r的增大NA(r)逐渐减小,入射角也随之减小,故本文选取K点来做分析。由以上分析可知,渐变型光纤的最大入射角为αmax,全反射临界角为φc,散射光线必须满足全反射条件才能返回光纤入射端,故渐变型光纤布里渊散射角的取值范围也由式(9)所得。

3多模光纤布里渊频移取值范围

由上述分析可知,多模光纤布里渊散射角的取值范围为2arccos(NA/n1)≤θmn ≤π。选取长飞公司50/125μm的阶跃型多模光纤计算布里渊频移随散射角的变化情况,光纤的具体参数如下:NA =0.2,n1=1.45,可得多模光纤布里渊散射角的最值分别为θ=2arccos(NA/n1)≈164°和θ=180°,散射角只有16°的变化范围。由式(7)可得布里渊散射频移与散射角的关系曲线如图7所示。

由图可知,当散射角从164°变化到180°时,布里渊频移从10.978GHz变化到11.083GHz,增加了0.105GHz。

4结束语

布里渊光纤传感技术 篇6

该设计是为分布型光纤布里渊测量系统中的电光调制器提供一个激励源。 在测量布里渊散射信号时,由窄谱激光器发出的光经耦合器输出,一部分光作为本振光,另一部分光通过由脉冲发生器激励的电光调制器(Electro-Optic Modulator,EOM)调制成脉冲光。 光在传播时产生的散射光经环形器输出,在光电检测器上与本振光进行相干检测,将布里渊散射信号变换为电信号,通过分析电信号频谱的方法同时得到布里渊散射信号的强度和频移。

2整体系统框图

整个系统根据所实现的功能,可以分为两部分:高速脉冲发生源及其控制系统部分;偏压产生及自动偏压控制系统部分,系统整体框图如图1所示。

3功能结构

3.1高速脉冲发生源

高速脉冲发生源使用硬件描述语言在FPGA内设计, 它的主要功能是产生一个周期和脉宽可变的脉冲波。 通过改变计数器的上限值来改变周期,通过改变电平翻转的阈值来改变脉宽。 由FPGA产生的脉冲电压幅度为3.3 V,之后使用高速、高转换速率的运算放大器把脉冲幅度放大, 作为输入电光调制器的电脉冲。

脉冲发生源所用的时钟, 是使用FPGA内部锁相环将外部50 MHz有源晶振 进行4倍频后产 生的200 MHz时钟 。 EP1C6Q240C8内部集成了2个可编程锁相环 , 可以提供高性能的时钟管理能力,如频率合成、可编程移相、片外时钟输出、可编程占空比、失锁检测以及高速差分时钟信号的输入和输出等。 与直接来自片外的时钟相比, 通过锁相环输出的片内时钟可以减少时钟延时和时钟变形,减少片内干扰,可以改善时钟的建立时间和保持时间。

3.2脉冲控制系统

作为一个数控的脉冲源, 脉冲的频率及脉 宽由用户 通过FPGA中嵌入的Nios II CPU所提供的人机接口进行指定 , 用户将所需的脉冲频率及脉宽输入到Nios II CPU,CPU会将输入信号转换成脉冲发生器中计数器的上限值和电平翻转的阈值控制脉冲的产生。

脉冲发生器控制系统以Nios II CPU核为核心, 添加了片上ROM作程序存储器 ,片上RAM作数据存储器 ,添加了若干PIO模块提供外设接口,控制键盘、液晶和脉冲发生器。 系统时钟由外部50 MHz有源时钟经PLL锁相环分为两路, 一路二分频,为Nios II CPU提供25 MHz系统时钟 ,另一路四倍频 ,为脉冲发生器提供200 MHz脉冲源时钟,系统内各IP模块通过Avalon交换结构总线连接。 如图2所示。

基本从端口传输由Avalon总线模块发起, 然后从端口向Avalon总线模块传输一个单元的数据 。

3.3偏压产生及自动偏压控制

偏压是叠加在调制电压上的控制电压, 通过对偏压的控制可以使电光调制器稳定的工作。 为了方便控制且保证自动偏压中数据采集的速度, 系统为偏压产生及偏压控制部分添加了另一个专用Nios II CPU,与脉冲控制系统一起,构成双CPU系统, 两个CPU分别对脉冲发生源和自动偏压进行控制,这是本设计的一个创新点。偏压产生及自动偏压控制的系统设计框图如图3所示。

偏压的产生是利用12位D / A芯片MAX5120设计高精度数控稳压源实现的。 通过Nios II CPU产生一个12位数字信号, 输入到D / A芯片, 由MAX5120将数字信号转换为直流电压信号,为电光调制器提供偏压。 由于MAX5120的最大输出电压为4.095 V,所以在信号输入电光调制器之前 ,用一级运放作驱动 , 放大后的信号作为电光调制器的偏压输入。

偏压的自动控制是Nios II CPU对电光调制器偏压的一种闭环负反馈的调节,它通过对电光调制器输出光的检测,控制数控电压源产生适当的偏压, 为电光调制器提供一个稳定的工作状态,从而保证了整体测量结果的准确性。

4结语