开题报告——梁浩.docx

南京大学

博士研究生学位论文开题报告

课题名称基于序列脉冲的长距离布里渊光纤传感器研究

博士研究生 梁浩

学 号 DG0722075

院（系、所）物理系

专 业 微电子学与固体电子学

指导教师 张旭苹

选题时间

年 月 日

I、 选题背景

光纤传感器具有抗电磁干扰，传输损耗小，传感距离长，成本低等优点。从上世纪70年代至今的几十年时间里，光纤传感技术得到了广泛的研究。根据光纤的不同特性，光纤传感技术可以用于测量电压电流、气体浓度、湿度、弯曲、位移、温度、应力、振动等多种参数。目前常用的光纤传感技术主要有两种：基于光纤光栅的光纤传感技术和基于光散射技术的光纤传感技术。基于光纤光栅的光纤传感技术主要是通过紫外光照射，使得光纤中某段或某几段光纤的折射率成周期性分布并可以反射一定波长的光，利用外界物理量对反射光中心波长造成的影响来进行传感。其测量精度高，但是铺设比较困难，当对事先无法预知性能劣化位置的对象进行监测时，需要大范围的铺设，成本高，实现也很困难。此种传感技术多用于确定点的测量。而基于光散射技术的光线传感技术是一种分布式的光纤传感技术，它主要利用外界物理量对散射光功率、频率、相位等产生的影响来进行传感测量。虽然它的精度没有基于光纤光栅的传感技术高，但是它能够对整条光纤沿线的所有位置进行连续的监测。传感光纤铺设相对简单。这种方法可以用于大型结构的监测，尤其是对本身与光纤有关的结构如光电复合缆、海底光缆等的监测具有很大优势。

基于光散射分布式光纤传感技术主要有三种：基于瑞利散射的光纤传感技术、基于布里渊散射的光纤传感技术和基于拉曼的光纤传感技术。其中基于瑞利的光纤传感技术是通过探测光在光纤中产生的瑞利散射的功率或者相位变化对光纤损耗或者光纤振动进行探测。基于拉曼散射的光纤传感技术通过探测光纤中拉曼散射光功率变化来进行温度传感。基于布里渊散射的传感技术又分为两类，一种是利用光纤中的布里渊散射光功率与瑞利散射光功率的比值的变化来进行温度传感测量；另一种是利用光纤中布里渊散射光谱的频率变化来进行温度和应力的传感测量。而后者是目前光纤传感技术的研究热点。这一技术已在桥梁、隧道、海底光缆等对象的健康监测中得到应用。

目前，这种传感技术大多采用具有一定宽度和峰值功率的单个脉冲作为探测脉冲。由于传感的空间分辨率取决于光脉冲的宽度，脉冲宽度过长会导致空间分辨率的降低。所以提高脉冲的峰值功率成为增加这类传感器传感距离的唯一方法，但是峰值功率过高又会引起光纤中的非线性效应，降低传感器灵敏度。由于传感距离和传感精度的矛盾性，使得这种传感技术的应用范围受到限制。因此，在保证空间分辨率不变的前提下，增加传感距离具有重要的实际意义。

II、 文献综述

光波在光纤中传播时主要会产生三种类型的散射，它们分别为瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射。其中瑞利散射是由于光纤中的材料密度起伏对入射光波的散射造成的，它与入射光波的频率一致，被称作弹性散射。布里渊散射是由于光纤中的声波（声学声子）对入射光波的散射造成的，它与入射光波的频率差等于声波的频率。拉曼散射是由于光纤中的分子振动（光学声子）对入射光波的散射造成的，它与入射光波的频率差等于分子振动的频率。

布里渊散射光的频谱最初被用来测定多模光纤和单模光纤的成分，它的中心频率与入射光波的频率之差被称为布里渊频移。在1989年和1990年，T.Horiguchi等人分别测得了光纤所受应力和温度与布里渊频移的关系。尽管对不同的光纤同样大小的应力或温度引起的布里渊频移不完全相同，但它们都呈线性关系。据此Horiguchi等人提出了基于受激布里渊散射放大效应的光时域分析（BOTDA）的传感技术。该技术从光纤一端射入脉冲光，另一端射入频率与脉冲光频率相差布里渊频移的连续光，通过脉冲光将连续光的能量放大来获得光纤线路上的布里渊频移分布，并利用光时域反射的原理来确定布里渊频移在光纤中的位置。

1993年，X.Y.Bao等通过对BOTDA系统的研究，提出了基于布里渊损耗的BOTDA传感技术，并对32km长的光纤的成功进行了温度传感实验，实验中的空间分辨率达到了5m。同一年，T.Kurashima等人提出了基于自发布里渊散射的光时域反射（BOTDR）的传感技术。该技术仅需从光纤的一端射入脉冲光，并通过从同一端探测脉冲光的自发布里渊散射谱来进行传感，在实际应用中实现起来非常方便。但由于自发布里渊散射信号非常微弱，它需要利用相干接收的方法来对其进行探测。1997年D.Garus等提出了基于受激布里渊放大效应的频域分析（BOFDA）的技术。它同样需要从光纤的一端输入脉冲光，从另一端输入与脉冲光频率相差布里渊频移的连续光。它