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)可以提供長距離（數(shù)十到上百公里）和高空間分辨率（米或亞米量級）的參數(shù)測量，具有巨大的應(yīng)用價值。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單個物理量的監(jiān)測，而無法實現(xiàn)多參量、多維度的同時監(jiān)測。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、感的問題，因此尋找有效可靠的可區(qū)分測量方案具有切實意義。近年來隨著光纖空分復(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新的實施方式、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)用的布里淵光時域反射儀/分析儀（BOTDR/A）、拉曼光時域反射儀（ROTD

3、R）和基于掃頻相關(guān)峰檢測的相位敏感光時域反射儀（Φ-OTDR）等，取得了較大進(jìn)展，包括：實現(xiàn)了基于多芯光纖布里淵檢測的長距離、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，還初步實現(xiàn)了基于掃頻相關(guān)峰檢測的Φ-OTDR技術(shù)并用于高靈敏度的溫度測量和彎曲測量。主要研究工作總結(jié)如下：
　　（1）研究了多芯光纖中布里淵散射的特征，并在國際上首次報道了偏心纖芯中的布里淵頻移對彎曲敏感的特征。實

4、驗發(fā)現(xiàn)在偏心纖芯中布里淵頻移對彎曲敏感，針對這一現(xiàn)象作者經(jīng)過仔細(xì)分析給出了詳細(xì)的數(shù)值模型，經(jīng)過標(biāo)定驗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)力測量實現(xiàn)的分布式彎曲角和曲率大小求解的理論模型和數(shù)值計算方法，通過實驗進(jìn)行了驗證，同時對測量結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)地誤差計算分析。進(jìn)一步地，借助于弗萊納公式（Frenet-Serret formulas），最終實現(xiàn)了對傳感光纖三維形狀的重構(gòu)。
　?。?）提出并實現(xiàn)

5、了基于異質(zhì)多芯光纖空分復(fù)用的布里淵光時域分析儀。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?；诖耍菊撐奶岢隼貌煌w芯所具有的不同靈敏度，通過求解系數(shù)矩陣來實現(xiàn)溫度、應(yīng)力的可區(qū)分測量。為了解決偏心纖芯中的布里淵頻移對彎曲敏感的問題，提出先將兩個對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)分測量。
　　（3）提出基于多芯光纖空分復(fù)用的混合拉曼、布里淵光時域反射儀（ROTDR、BOTDR）。為了解決基于單模光纖的拉曼、布里淵混合系統(tǒng)中需要分時分別對拉曼和布里淵信號進(jìn)行測量所造成的不便，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施，因而可以實現(xiàn)對輸入泵浦光功率的有效管理，對于ROTDR這一路要保證有足夠且適度高的泵浦光輸入用以測量自發(fā)拉曼散

7、射信號，而對于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，通過空間換取時間，實現(xiàn)了ROTDR和BOTDR的同時測量。所提出的空分復(fù)用混合系統(tǒng)為實現(xiàn)溫度、應(yīng)力可區(qū)分測量提供了一種有競爭力的備選方案。
　　（4）提出基于少模光纖空分復(fù)用的相位敏感光時域反射儀（Φ-OTDR）。利用基于掃頻相關(guān)峰檢測的Φ-OTDR實現(xiàn)了超高靈敏度的分布式溫度傳感，初步驗證了利用少模光纖進(jìn)行高精度分布式彎

8、曲測量的可行性。通過對比實驗發(fā)現(xiàn)基模對彎曲不敏感而高階模對彎曲敏感，而兩者受到相同的溫度和縱向應(yīng)力作用，因此可以用基模對高階模進(jìn)行溫度和縱向應(yīng)力作用的補(bǔ)償，從而實現(xiàn)溫度和縱向應(yīng)力不敏感的高靈敏彎曲測量。該技術(shù)提供了一種強(qiáng)有力的長距離分布式彎曲測量方案。
　　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了全新的實施方式，實現(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題提供了良好的解決方案，也將能讓多種傳感技