学海网

毕业论文-基于非线性光学效应的光纤传感研究，共58页，23746字
中文摘要
光纤传感技术具有抗电磁干扰、损耗低、频带宽、动态范围大、使用寿命
长等特点，并且可以突破传统的点式传感，为较准确地实现分布式检测提供了
可能。其中，基于光纤中一种非线性光学效应——布里渊散射效应的分布式传
感，因其具有传感精度高、传感距离长、空间分辨率高等优势，在大型土木工
程、长距离管道、巨型舰船及航天航空器中具有很好的应用前景，近年来受到
国内外的广泛重视。
本文研究了基于受激布里渊光时域分析技术（BOTDA）的分布式光纤传感
系统。在简单介绍布里渊散射效应及基于其的分布式光纤传感原理的基础上，
理论仿真了光纤中的受激布里渊散射效应，搭建了基于受激布里渊散射的分布
式光纤传感系统，对连续信号增益式和连续泵浦衰减式 BOTDA 进行了实验研
究和分析，实现了沿光纤的温度变化定位。此外，进一步提出可通过引入参考
光纤对由激光器频漂等引起的测量误差进行补偿，并通过实验初步验证了该方
案的可行性。本论文工作将为进一步深入研究分布式布里渊传感系统打下基础。
关键词：光纤传感；分布式传感；布里渊散射；布里渊光时域分析技术；
参考光纤

ABSTRACT
Fiber sensor technology has the advantages of immunity to electromagnetic
interference, low loss, broad frequency bandwidth, large dynamic range, and long
life span, etc. Furthermore, compared with traditional discrete sensors, it can be used
as distributed sensor, providing a way of detecting distributed signals precisely.
Among the distributed fiber sensors, the Brillouin scattering-based fiber sensor
attracts much attention and finds great applications in large-size structures, long
distance pipes, giant ships, aerospace vehicle, and so on, for the better performance
such as on high sensitivity, long working distance, and high spatial resolution.
In this paper, we studied the distributed fiber sensor system based on Brillouin
optical time domain analysis (BOTDA). The Brillouin scattering and the principles
of distributed fiber sensors based on such effect are introduced. Then to provide
guidance for experiments, numerical simulation was carried out to study stimulated
Brillouin scattering (SBS) effect in fibers. The BOTDA systems, both based on
continuous pump attenuation and continuous signal amplification, were studied
experimentally, and the detection of distributed temperature variation along fiber
was demonstrated. What is more, we proposed a method of countering the
measurement errors caused by frequency shifts of lasers, i.e., adopting a reference
fiber in the system, whose feasibility was preliminarily verified. Further research on
distributed Brillouin sensor system will be carried out in our lab based on the results
shown in this thesis.
Keywords：Fiber Sensor; Distributed Sensor; Brillouin Scattering; Brillouin
Optical Time Domain Analysis; Reference Fiber

目 录
第 1 章
引 言 .... 1
1.1 研究背景 ... 1
1.2 分布式光纤布里渊传感研究现状 .. 3
1.2.1 国外研究现状 ...... 3
1.2.2 国内研究现状 ...... 4
1.2.3 存在的问题及发展趋势 ..... 4
1.3 本文研究目标和内容 ...... 4
第 2 章 基于布里渊散射的分布式光纤传感原理 . 5
2.1 光纤中的布里渊散射效应 ...... 5
2.2 布里渊散射谱参数与温度和应变的关系 ...... 6
2.3 基于布里渊散射的分布式传感 ...... 7
2.3.1 布里渊光时域反射技术（ BOTDR） 8
2.3.2 布里渊光时域分析技术（ BOTDA） 9
2.3.3 布里渊光频域反射技术（ BOFDA） 9
2.4 光纤中的布里渊散射的数值计算 10
2.4.1 布里渊散射的理论计算模型 ... 10
2.4.2 布里渊散射的数值计算 ... 11
第 3 章 基于布里渊光时域分析的分布式光纤传感实验 .. 14
3.1 基于连续信号的系统方案及实验分析 14
3.1.1 实验装置及原理 14
3.1.2 实验参数、现象及定性分析 ... 15
3.1.3 数据处理及定量分析 17
3.2 基于连续泵浦系统方案及实验分析 .... 19
3.2.1 实验装置及原理 19
3.2.2 实验参数、现象及定性分析 ... 19
3.2.3 数据处理及定量分析 21
3.2.4 对于实验结果的进一步讨论 ... 23
3.3 讨论与小结 ..... 23
第 4 章 利用 BOTDA 实现温度检测 ... 24
4.1 分布式布里渊温度传感系统 . 24
4.2 利用参考光纤补偿频漂影响 . 28
4.3 小结 .. 29
第 5 章
结 论 .. 31
5.1 主要内容总结 . 31
5.2 工作展望 . 31
插图索引 .... 33
参考文献 .... 35
致 谢 ... 39
声 明 ... 39
附录 A 外文资料的书面翻译 .. 41