摘 要

基于布里渊散射的分布式光纤传感技术有着高精度，长距离，成本低等优点，已经广泛的被应用于桥梁，隧道，光缆等大型工程结构的健康监测当中。布里渊光时域分析技术（BOTDA）是目前光纤传感技术的热门课题之一，B0TDA的研究主要集中在系统的传感距离，空间分辩率和测量精度的提升上。

本文研究了基于脉冲划分法提高BOTDA系统空间分辨率的方法，对该方法进行了详细的理论分析，并设计实验方案进行仿真。脉冲划分法是将长脉冲划分为若干个子脉冲，得到每个子脉冲对应的子布里渊信号。由子布里渊信号可以解调出子脉冲对应光纤段的温度/应变信息，从而使得系统空间分辨率成倍提高。仿真结果表明该方法能显著提升BOTDA系统空间分辨率，操作简单，对分布式传感系统的发展和应用具有积极意义。

关键词：受激布里渊散射，BOTDA，空间分辨率，脉冲划分法

Abstract

Distributed optical fiber sensing technology based on Brillouin scattering has the advantages of high accuracy, long distance and low cost. It has been widely used in health monitoring of large engineering structures such as bridges, tunnels and optical cables. Brillouin Optical Time Domain Analysis (BOTDA) is one of the hot topics of optical fiber sensing technology. The research of B0TDA mainly focuses on the improvement of sensing distance, spatial resolution and measurement accuracy of the system.

In this paper, the method of improving the spatial resolution of BOTDA system based on pulse partitioning is studied. The theory of this method is analyzed in detail, and the experimental scheme is designed and simulated. The pulse division method divides the long pulse into several sub-pulses, and obtains the sub-Brillouin signal corresponding to each sub-pulse. The sub-Brillouin signal can be used to adjust the temperature/strain information of the sub-pulse corresponding to the optical fiber segment, thus doubling the spatial resolution of the system. The simulation results show that this method can significantly improve the spatial resolution of BOTDA system, and it is simple to operate. It has positive significance for the development and application of distributed sensing system.

Key words: stimulated Brillouin scattering, BOTDA, spatial resolution, pulse division

目 录

第1章 绪论 1

1.1课题研究背景 1

1.2国内外BOTDA发展概况 2

1.3论文安排 2

第2章 光纤中的布里渊散射和传感原理 3

2.1光纤中的布里渊散射 3

2.2受激布里渊散射增益谱 5

2.3布里渊频移与温度和应变的关系 6

2.4布里渊光时域分析技术 7

2.5本章小结 8

第3章 脉冲划分法原理和理论分析 9

3.1 BOTDA系统的几种高空间分辨率 9

3.2脉冲划分法原理 10

3.3本章小结 13

第4章 脉冲划分法仿真 14

4.1脉冲划分法方案设计与仿真 14

4.2脉冲划分分析 17

4.3脉冲划分仿真 18

4.3本章小结 23

第5章 总结与展望 24

5.1总结 24

5.2展望 24

参考文献 25

致谢 27

第1章 绪论

在20世纪70年代第一根光纤诞生后，人们对光纤传感技术的研究便一直是光纤领域研究的聚焦热点，通过人们不断的研究使得光纤传感技术得以迅速发展。光纤传感技术作为新型传感技术之一，通过利用光纤介质的传输特性和光波的传感特性，实现集传感和传输于一身，通过探测被测量信号来实现传感。与传统的电传感相比，光纤传感在传感原理，被测量的探测和处理方面都存在着很大的差异。由于光纤本身便具有不带电、有一定的柔性、抵抗电磁干扰和辐射性能好等诸多优点，十分适合应用于分布式，作业空间狭小、易燃易爆以及存在强烈电磁波干扰等恶劣或危险的环境中使用。随着光纤传感技术的不断发展和完善，光纤传感器在结构安全监测领域逐渐成为人们的首选目标^[1]。

1.1课题研究背景

在光纤中存在着三种散射分别是，瑞利散射，布里渊散射和拉曼散射，光纤中散射光谱^[2]（如图1-1所示），根据散射光的不同，分布式光纤传感也分为三类：基于瑞利散射、基于拉曼散射和基于布里渊散射的分布式光纤传感技术。自从S.M.Jensen和M.K.Barnoski发明光时域反射计（Optical Time Domain-Reflectometry,OTDR）以来，对分布式光纤传感的研究主要集中在光纤中产生的后向散射光的时域和频域的测量上，且发展十分迅速，多种提高测量精度，延长传感距离和提升系统空间分辨率的技术不断被提出。

图1-1散射光谱示意图

在这三种分布式光纤传感技术中，基于瑞利散射的传感技术通常用于监测光纤断点和研究对温度/应变不敏感的光纤的衰减特性；基于拉曼散射的传感技术主要用于测量光纤的温度变化；由于布里渊散射的散射强度比拉曼散射高2-3个数量级，所以基于布里渊散射的传感技术不仅可以测量温度变化，还可以用于应力变化的监测。基于布里渊散射的分布式光纤传感技术是利用光纤的物理特性来对被测场的时空行为进行实时监测，所以常用于长距离大型工程的动态检测。它对温度/应变分布的有效监测具有重要的应用价值，是传感器研究的热点之一。

1.2国内外BOTDA发展概况

1993年，X.Y.Bao提出了基于布里渊损耗的布里渊光时域分析（BOTDA）传感技术。同一年，T.Kurashima等人提出了一种利用自发布里渊散射的光时域反射计。1996年，D.Garus等人提出了布里渊光频域分析技术^[3]。2002年，K.Hotate等人提出了一种基于相干连续波的应变分布式布里渊传感器，实现了厘米量级的应变传感。2006年，M.N.Alahbabi等人在150km光纤中实现了利用拉曼放大和相干检测的BOTDR传感。

除了传感技术的创新，研究人员还致力于改进现有的传感技术。现有的研究大致可分为两个指标，一个是信噪比，另一个是空间分辨率。李伟豪在2008年采用差分脉冲对方法提高了BOTDA系统的空间分辨率，突破了1m的固有空间分辨率，达到了厘米量级^[4][5]。在提高空间分辨率的技术中，除了差分脉对外，还有许多技术，如脉冲预泵浦、暗脉冲技术端口、差分双脉冲等，但这些技术会降低系统的信噪比，缩小系统的动态范围。

1.3论文安排

本文主要是研究脉冲划分法对基于受激布里渊散射的布里渊光时域分析系统空间分辨的提升。本文的第1章绪论简单的介绍了研究课题的背景和目前国内外的研究成果，以及对本文的安排。第2章光纤中的布里渊散射和传感原理，主要是写了光纤中的布里渊散射产生原理，以及如何利用布里渊散射在分布式光纤进行传感，介绍了基于受激布里渊散射的布里渊光时域分析技术的空间分辨率.第3章介绍了目前几种比较成熟的高空间分辨率技术，并重点说明了脉冲划分法的原理和应用方法。第4章主要内容是脉冲划分法的仿真设计和仿真结果分析，通过对比划分前后的布里渊频谱，光纤沿线的布里渊增益分布，来分析脉冲划分法对空间分辨率的提升效果。

第2章 光纤中的布里渊散射和传感原理

光在光纤中传播存在散射现象，其中布里渊散射和光纤本身的力学特性与光纤的热特性有关。布里渊散射光受环境温度和光纤应力变化的影响。通过寻找布里渊散射光与光纤的温度和应变之间的关系，就可以获得光纤环境的温度/应变。通过把光纤包裹或嵌入结构中，当光纤发生应力变化或温度变化时，就可以得到预警从而在发生故障之前采取预防措施。这种传感器在大型结构安全预警领域具有重要的应用价值，是一种避免财产损失和生命危险的重要工具。监测结构裂缝或环境温度，尤其是在空间和频率分辨率较高的长距离环境中，这是一个重大挑战。

2.1光纤中的布里渊散射

光纤内部粒子的无规则运动，导致光纤折射率随时间和空间周期性波动，产生自发声场。布里渊散射是光波和声波在光纤中相互作用产生的。根据激发条件的不同，布里渊散射可分为自发散射和受激散射^[6]。

2.1.1自发布里渊散射

由于介质粒子在光纤中的不规则运动，光纤中形成不间断的弹性振动，导致光纤中材料密度的周期性波动，并把光纤的折射率周期性地调制，因此，在光纤内部形成一个运动的声场，这种效应相当于在光纤中形成了一个光栅。当角频率为的入射光注入光纤时，它将反射出布里渊散射光。当入射光的方向与声场光栅运动方向相同时，光纤中会产生角频率为的布里渊斯托克斯光，受多普勒效应的影响布里渊散射光频率会向下移动。相反，当入射光方向与声场光栅方向相反时，光纤中会产生角频率为的布里渊反斯托克斯光。它的布里渊散射光频率将向上移动^[7][8]。

自发布里渊频移（BFS）表达式为：

（2.1）

其中为入射光的波长,是光纤中的声速。由公式（2.1）可知，布里渊散射和布里渊频移都与入射光夹角θ有关。而且，由于光纤的波导特性，单模光纤中只存在轴向传播模式，因此布里渊散射光在光纤中只存在正向传播或反向传播。如果光纤发生正向散射，即当时，频移,表示此时没有发生布里渊散射；如果光纤发生反向散射，即时，频移达到最大值，其值为，则布里渊频移与光纤的有效折射率和光纤中的声速成正比，与入射光的波长成反比。

2.1.2受激布里渊散射原理

由于制作光纤的制作硅材料具有电致伸缩特性，当泵浦光功率非常大时，光纤具有拉伸效应，从而使其折射率发生改变。因此，大部分的发射光将被转换成反向发射的散射光，散射光的频率与脉冲探测光的斯托克斯频率相似，从而产生受激布里渊散射。受激布里渊散射光的机理是，泵浦光和斯托克斯光之间的产生干涉，将一个光子的能量分成两部分，即声子和一个频率较低的光子。光纤中的受激布里渊散射（SBS）增加了声场强度。入射光和声场的拍频信号将增强斯托克斯光。反过来，斯托克斯光和入射光的拍频信号也会增强声场，形成正反馈。在这种正反馈作用下，斯托克斯光的振幅将成倍增加。

泵浦光和斯托克斯光有两种机制产生声场。一种是电致伸缩，它使材料的密度随光强度的变化而变化;另一种是光吸收机制，其中光纤吸收光子，使材料随着温度的升高而膨胀，然后改变材料的折射率。通常，光吸收仅发生在损耗介质中，并且光吸收的影响远小于电致伸缩的影响，因此可以忽略光吸收的影响仅分析电致伸缩的影响。实现受激布里渊散射传感有两种不同的方法，一种是生成受激布里渊，另一种是受激布里渊放大。在第一种情况下，只有泵浦光来自光纤的外部。在泵浦光和热噪声的相互影响下，斯托克斯的光和声场将得到增强。在这种情况下，受激布里渊效应受到光纤本身的热噪声和泵浦光之间的相互作用的刺激。当泵浦光和斯托克斯光都来自光纤外部，并且斯托克斯光泵浦光和泵浦光之间的频率差与布里渊增益光谱的峰值频率匹配时，斯托克斯光和泵浦光之间的强耦合效应将发生^[9]。受激布里渊放大过程可以用经典的三波耦合方程来描述：

(2.2)

其中，Ep为泵浦光强度，c为光速，n为光纤折射率，Es为产生的斯托克斯光强度，为声场强度，声场衰落常数，声场衰落因子，失谐角频，v为泵浦光和探测光拍频，为光纤中布里渊频移，。为光纤有效截面，耦合因子可以表达为：

(2.3)

其中，为电致伸缩系数，泵浦光角频率，为光纤有效折射率，为声速，为光纤密度。

2.2受激布里渊散射增益谱

因为光纤中的声子在传输时存在传播衰减，所以布里渊增益谱符合洛伦兹线分布特性，如图2.2所示，布里渊增益谱可以表示为^[10]：

(2.4)

其中是布里渊增益谱的半高宽，其值与光纤中的声子寿命(10ns左右）有关，对于目前光纤通信中常用的光纤，其值一般为几十MHz，在处，布里渊增益达到峰值为：

(2.5)

式中，表示常规石英光纤的电致伸缩常数，表示石英光纤的密度。布里渊增益谱谱宽与的关系为，声子寿命，在常规单模光纤中，通常小于10ns，约为35MHz左右。

图2.2布里渊散射增益谱

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