布里渊散射分布式光纤传感器的理论分析和相关技术研究
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1．2．3．1 基于 BOTDR 技术的分布式光纤传感器.......................................... 6 1．2．3．2 基于 BOTDA 技术的分布式光纤传感器 ......................................... 8 1．2．3．3 基于 BOFDA 技术的分布式光纤传感器.......................................... 9 1．3 本课题的主要任务 .............................................................................................. 10 第二章 布里渊散射分布式光纤传感器的理论分析 .................................................. 12 2．1 光纤中的布里渊散射 .......................................................................................... 12 2．1．1 光纤中的光散射 ......................................................................................... 12 2．1．2 自发布里渊散射理论 ................................................................................. 13 2．1．3 受激布里渊散射 ......................................................................................... 17 2．2 布里渊频移量与温度/应变的关系 ..................................................................... 18 2．3 布里渊散射光功率与温度/应变的关系 ............................................................. 22 第三章 基于布里渊散射的分布式光纤传感系统的分析与设计 .............................. 24 3．1 自外差布里渊散射分布式光纤传感方案的选择 .............................................. 24 3．2 自外差 BOTDR 系统........................................................................................... 25 3．2．1 自外差 BOTDR 系统原理与结构.............................................................. 26 3．2．2 布里渊散射光功率及散射谱分析 ............................................................. 28 3．2．3 自外差探测 ................................................................................................. 30 3．3 BOTDR 系统性能分析...................................................................................... 34
uses a frequency translator to obtain a frequency shift, which is equal to the brillouin
frequency in fiber. Then the detecting pulsed light and the cw reference light can
电子科技大学
答辩委员会主席 张晓霞 教授
评阅人 叶玉堂 教授 刘爽 教授
2006 年 6 月 6 日 注 1 注明《国际十进分类法 UDC》的类号
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。
centuries. We had brought forward the idea of health inspect for them for a long time.
These good-sized structures will happen distortions in different degree when they
distance,②too ulterior to be measured,③Real-time,④distributed et. al.
So
traditional inspect means are hard to competent.
To realize the distributed fiber sensing for temperature and strain, this paper
签名：
日期：
年月日
关于论文使用授权的说明
本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文
的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，
允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全
部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描
ຫໍສະໝຸດ Baidu
等复制手段保存、汇编学位论文。
introduces and discusses some distributed fiber sensing technique which are studied
broadly at present, especially the headway and the developing direction of the
1．2．1 基于瑞利散射的分布式光纤传感技术 ....................................................... 3 1．2．2 基于拉曼散射的分布式光纤传感器 ........................................................... 4 1．2．3 基于布里渊散射的分布式光纤传感器 ....................................................... 5
（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）
签名：
导师签名：
日期： 年 月 日
中文摘要
中文摘要
大型基础工程如地下隧道、高架桥、跨江桥、江河堤和水利枢纽等构筑物， 它们的使用期长达几十年甚至上百年，对它们进行健康监测的概念很早就提出了。 这些大型建筑物在各种荷载和外部环境作用下会发生不同程度的变形，但由于这 些变形在早期很微弱，具有①范围大、距离长；②监测部位隐蔽,不便于量测，或 者根本无法量测；③实时性；④分布式等特点，致使传统监测手段难以胜任。
coherent. This method greatly improved the system’s sensitive and signal to noise ratio
(SNR). More, this paper discusses some important performance parameters of the
III
目录
目录
第一章 分布式光纤传感器的发展及现状 .................................................................... 1 1．1 引言 ........................................................................................................................ 1 1．2 分布式光纤传感器的发展及研究现状 ................................................................ 2
temperature and strain system that based on spontaneous Brillouin scattering, Coherent
Self-Heterodyne BOTDR, and done part experimental study.
Be different with other BOTDR systems, the Coherent Self-Heterodyne BOTDR
the mechanism of AO frequency shift and the loop are analysed detailedly, and done
the experiment of this part. For the frequency shifter used has no fiber input and output
Coherent Self-Heterodyne BOTDR system, such as dynamic ranges, spatial resolution,
minimum detectable change. For the importance of the AO frequency translator loop,
under diversified loads and external envitronments. However, these distortions are very
faintness in early time, and they have the characteristics as①big range and long
关键词：分布式光纤传感技术，自发布里渊散射，布里渊频移，声光移频，相干 自外差探测
I
Abrstract
Abstract
Many large scale projects such as tunnels, viaducts, river bridges, riverbanks and
irrigation works hinge et al., there use time are as long as several decades or even
分类号
密级
UDC
学位论文
布里渊散射分布式光纤传感器的理论分析和相关技术研究
（题名和副题名）
余丽苹
（作者姓名）
指导教师姓名
刘永智
教授
电子科技大学
成都
（职务、职称、学位、单位名称及地址）
申请学位级别 硕士
专业名称 光 学 工 程
论文提交日期 2006-6-6
论文答辩日期 2006-5-29
学位授予单位和日期
system uses only one consecutive laser. The light from consecutive laser is divided into two
beams, the detecting light and the reference light, by a coupler. At the same time, it
为了实现对温度和应变等的分布式光纤传感，本文对目前研究较为广泛的各 种分布式光纤传感技术，特别是基于布里渊散射的分布式光纤传感技术（简称 BOTDR）的发展及研究现状进行了较为详细的论述。同时结合本课题的研究重点， 对光纤中自发布里渊散射理论及其对温度/应变的传感机理进行了较深入的理论 分析。在此基础上，提出了一种有效可行的基于布里渊散射的分布式光纤温度/ 应变传感系统——相干自外差的布里渊散射分布式光纤传感系统，并完成了部分 实验研究。
brillouin scattering in fiber and the mechanism of its sensing for temperature and strain.
Based on this, we bring forward a availability and viable distributed fiber sensing for
II
Abstract
port, this paper uses two self-focus collimation lenses to couple fiber into the frequency shifter. And also, we discussed and measured the additory attenuation of the collimation lenses. Keywords: Distributed Optic Fiber sensing technique, spontaneous brillouin scattering, brillouin frequency shift, AO frequency shift, coherent self-heterodyn
Brillouin scattering distributed optic fiber sensor(BOTDR). Combining our studied
emphases, we make deeply theoretic analysis for the theoretics of spontaneous
与其他的 BOTDR 系统分别使用两台激光器不同，自相干外差的布里渊散射 分布式光纤传感系统采用一台激光器，经耦合器分为两路光束——探测光和参考 光束。同时在探测光路中引入一个光移频环路，使探测光移频后再经光纤中布里 渊频移，其后向布里渊散射光频率与参考光束大致相当，可进行相干自外差探测， 大大提高了系统的探测灵敏度以及系统的信噪比。在此系统基础上，本文讨论分 析了相干自外差探测系统以及该 BOTDR 系统的动态范围、空间分辨率、最小可 探测温度/应变变化量等重要性能参数。基于声光移频环路的重要性，本文还重点 对声光移频的机理及声光移频环做了详细分析，并且完成了该部分的实验。由于 实验所用的声光移频器没有光纤输入输出，故本文还采用自聚焦准直透镜对其进 行光纤耦合，同时也进行了自聚焦透镜的附加损耗分析和测量。
uses a frequency translator to obtain a frequency shift, which is equal to the brillouin
frequency in fiber. Then the detecting pulsed light and the cw reference light can
电子科技大学
答辩委员会主席 张晓霞 教授
评阅人 叶玉堂 教授 刘爽 教授
2006 年 6 月 6 日 注 1 注明《国际十进分类法 UDC》的类号
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。
centuries. We had brought forward the idea of health inspect for them for a long time.
These good-sized structures will happen distortions in different degree when they
distance,②too ulterior to be measured,③Real-time,④distributed et. al.
So
traditional inspect means are hard to competent.
To realize the distributed fiber sensing for temperature and strain, this paper
签名：
日期：
年月日
关于论文使用授权的说明
本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文
的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，
允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全
部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描
ຫໍສະໝຸດ Baidu
等复制手段保存、汇编学位论文。
introduces and discusses some distributed fiber sensing technique which are studied
broadly at present, especially the headway and the developing direction of the
1．2．1 基于瑞利散射的分布式光纤传感技术 ....................................................... 3 1．2．2 基于拉曼散射的分布式光纤传感器 ........................................................... 4 1．2．3 基于布里渊散射的分布式光纤传感器 ....................................................... 5
（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）
签名：
导师签名：
日期： 年 月 日
中文摘要
中文摘要
大型基础工程如地下隧道、高架桥、跨江桥、江河堤和水利枢纽等构筑物， 它们的使用期长达几十年甚至上百年，对它们进行健康监测的概念很早就提出了。 这些大型建筑物在各种荷载和外部环境作用下会发生不同程度的变形，但由于这 些变形在早期很微弱，具有①范围大、距离长；②监测部位隐蔽,不便于量测，或 者根本无法量测；③实时性；④分布式等特点，致使传统监测手段难以胜任。
coherent. This method greatly improved the system’s sensitive and signal to noise ratio
(SNR). More, this paper discusses some important performance parameters of the
III
目录
目录
第一章 分布式光纤传感器的发展及现状 .................................................................... 1 1．1 引言 ........................................................................................................................ 1 1．2 分布式光纤传感器的发展及研究现状 ................................................................ 2
temperature and strain system that based on spontaneous Brillouin scattering, Coherent
Self-Heterodyne BOTDR, and done part experimental study.
Be different with other BOTDR systems, the Coherent Self-Heterodyne BOTDR
the mechanism of AO frequency shift and the loop are analysed detailedly, and done
the experiment of this part. For the frequency shifter used has no fiber input and output
Coherent Self-Heterodyne BOTDR system, such as dynamic ranges, spatial resolution,
minimum detectable change. For the importance of the AO frequency translator loop,
under diversified loads and external envitronments. However, these distortions are very
faintness in early time, and they have the characteristics as①big range and long
关键词：分布式光纤传感技术，自发布里渊散射，布里渊频移，声光移频，相干 自外差探测
I
Abrstract
Abstract
Many large scale projects such as tunnels, viaducts, river bridges, riverbanks and
irrigation works hinge et al., there use time are as long as several decades or even
分类号
密级
UDC
学位论文
布里渊散射分布式光纤传感器的理论分析和相关技术研究
（题名和副题名）
余丽苹
（作者姓名）
指导教师姓名
刘永智
教授
电子科技大学
成都
（职务、职称、学位、单位名称及地址）
申请学位级别 硕士
专业名称 光 学 工 程
论文提交日期 2006-6-6
论文答辩日期 2006-5-29
学位授予单位和日期
system uses only one consecutive laser. The light from consecutive laser is divided into two
beams, the detecting light and the reference light, by a coupler. At the same time, it
为了实现对温度和应变等的分布式光纤传感，本文对目前研究较为广泛的各 种分布式光纤传感技术，特别是基于布里渊散射的分布式光纤传感技术（简称 BOTDR）的发展及研究现状进行了较为详细的论述。同时结合本课题的研究重点， 对光纤中自发布里渊散射理论及其对温度/应变的传感机理进行了较深入的理论 分析。在此基础上，提出了一种有效可行的基于布里渊散射的分布式光纤温度/ 应变传感系统——相干自外差的布里渊散射分布式光纤传感系统，并完成了部分 实验研究。
brillouin scattering in fiber and the mechanism of its sensing for temperature and strain.
Based on this, we bring forward a availability and viable distributed fiber sensing for
II
Abstract
port, this paper uses two self-focus collimation lenses to couple fiber into the frequency shifter. And also, we discussed and measured the additory attenuation of the collimation lenses. Keywords: Distributed Optic Fiber sensing technique, spontaneous brillouin scattering, brillouin frequency shift, AO frequency shift, coherent self-heterodyn
Brillouin scattering distributed optic fiber sensor(BOTDR). Combining our studied
emphases, we make deeply theoretic analysis for the theoretics of spontaneous
与其他的 BOTDR 系统分别使用两台激光器不同，自相干外差的布里渊散射 分布式光纤传感系统采用一台激光器，经耦合器分为两路光束——探测光和参考 光束。同时在探测光路中引入一个光移频环路，使探测光移频后再经光纤中布里 渊频移，其后向布里渊散射光频率与参考光束大致相当，可进行相干自外差探测， 大大提高了系统的探测灵敏度以及系统的信噪比。在此系统基础上，本文讨论分 析了相干自外差探测系统以及该 BOTDR 系统的动态范围、空间分辨率、最小可 探测温度/应变变化量等重要性能参数。基于声光移频环路的重要性，本文还重点 对声光移频的机理及声光移频环做了详细分析，并且完成了该部分的实验。由于 实验所用的声光移频器没有光纤输入输出，故本文还采用自聚焦准直透镜对其进 行光纤耦合，同时也进行了自聚焦透镜的附加损耗分析和测量。