基于光纤Rayleigh散射偏振信息的传感技术

作     者：陈永香 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王子南

授予年度：2020年

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：瑞利散射 分布式传感 双折射 相位敏感型光时域反射仪 脉冲压缩 

摘      要：基于光纤的分布式传感器（Distributed Optical Fiber Sensor,DOFS）已经渗透到各个领域,比如铁路运输、管道交通以及地震波检测等,是由于光纤本身是一种无源器件且体积较小、质量轻、可以缠绕为任意形状并且具有抗电磁干扰、耐腐蚀性等一系列传统电学传感器没有的优点。目前应用广泛的光纤传感器大多数是基于散射光的强度信息或相位信息传感,而偏振信息很少被利用起来,甚至很多系统还会附加额外的设备来消除偏振带来的影响。然而偏振信息也可用作传感,其中最典型的是偏振敏感型光时域反射仪（Polarization Optical Time-Domain Reflectometry,POTDR）,但是这类系统在同一时刻只能测量一个点的偏振态变化。因为当某个点的偏振态发生改变时,在此以后的每个点都会受到影响,所以POTDR并不能实现真正意义上的分布式测量,使得这样的系统在管道监测以及桥梁监测等重要的场合不能占有一席之地,但是通常这种场合确是对感知偏振态的变化有迫切需要的。然而双折射是光纤本身的一种性质,如果利用光纤的双折射作为扰动变化前后的对比量,就能够实现真正意义上的分布式测量。因此首先要解决的问题就是如何准确测量光纤本身的双折射分布情况。针对如何精确测量分布式双折射的问题,本文展开了理论分析、方法研究与仿真验证等工作,其主要的工作内容如下:（1）总结了目前几种利用光纤偏振信息进行传感的系统,其中包括点式测量系统、准分布式测量系统和分布式测量系统,并且详细介绍了不同系统的工作原理。（2）针对光纤中散射的原理进行了详细分析,首先对光偏振态的基础信息进行了介绍,着重介绍了光偏振态的几种表示方式,随后利用斯托克斯矢量的表示方法对光纤中透射光的偏振态进行分析,其次还分析了光纤中散射光偏振态的变化情况,此外还介绍了测量光纤偏振态的两种常见的方法。（3）针对光在光纤中传播的原理,再结合对目前已知的光纤分布式测量系统分析之后,选择了合适的测量系统-脉冲压缩相位敏感型光时域反射仪（pulsecompression phase-sensitive optical time domain reflectometry,PC-ΦOTDR）。接着分析了该系统的工作原理以及选择该系统的原因,然后搭建了相应的实验装置并进行双折射的测量及相应的结果分析。验证实验对象是2 km普通单模光纤,达到了8.6 cm的空间分辨率。另外,对这种分布式测量系统所得到的特征进行了详细的探讨,结果指出了目前系统存在的现象:测量得到的双折射与入射光的带宽（空间分辨率）有关。（4）针对实现系统中测量的双折射与空间分辨有关的性质进行了研究。由于该系统本身的性质,空间分辨率对应的是入射光的带宽,因此也可以说研究的是不同入射带宽对测量双折射的影响。首先对比几种已知的仿真模型选择出了一种合适目前系统的仿真模型,接着利用仿真模型仿真了不同带宽的入射光对测量光纤双折射的影响,然后实验验证了一系列不同带宽脉冲光的测量结果。通过仿真和实验得到了一致的结论:在带宽小于一定的值时,测量的双折射与带宽呈线性变化,而带宽达到一定大小之后,测量得到的双折射则不会随着入射带宽的变化而变化。