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摘要：分布式布里渊光纤温度传感器利用光纤纤芯的电致伸缩效应，使光波在光纤内传播时产生非线性布里渊散射，由于布里渊散射光的频率相对于入射光频率存在一个频差，即布里渊频移，它与光纤的温度成一定的函数关系，所以通过探测光纤的布里渊频移就能确定光纤的温度信息。布里渊散射分布式光纤传感技术的研究起步较晚，但由于它能同时测量温度和应变，得到了广泛的关注与研究。虽然很多国家的研究人员对其进行了深入的探索，也取得了一定的进展， 但目前该技术仍有不完善之处。因此，深入系统地研究分布式布里渊光纤温度传感技术具有重要的研究意义和实用价值。
关键词：分布式光纤，布里渊，散射光纤
1基于电光调制移频的传感新方法?
现有的BOTDA分布式光纤温度传感系统需要两台频率匹配的激光器，同时要求激光器具有窄线宽、可调谐和高稳定性，系统结构非常复杂、价格昂贵，很难应用于实际中，为此，本章提出了基于电光调制技术（EOM）的BOTDA光纤传感技术新方法。?
BOTDA（布里渊光时域分析）技术是两激光器发出的激光束分别从两端相向传入传感光纤，一束作为泵浦光，其频率为v。，在传感光纤中产生的背向散射光频率为v。，两者的频率差即为布里渊频移（△v。）;另一束作为探测光，其频率为v。，调节探测光频率，与 当两者之间的频率差等于布里渊频移时，即△v=△v。时，光纤中产生受激布里渊散射，所以通过调节激光器2的频率，可以改变两激光器的频率差，当传感光纤的温度发生改变时，调节激光器2的波长，即可改变激光频率，实现布里渊信号的测量，从而得到传感光纤的温度信息。?
2基于电光调制器的传感系统方案?
针对现有的布里渊光时域分析系统存在的问题，我们提出了基于电光调制的 BOTDA 光纤传感方案。这里只使用一台激光器，通过电光调制器（EOMy列调制产生的频移光代替另外一台激光器产生的激光束。将从激光器1发出的激光分为两束，调节频率发生器，使电光调制器对其中一束光进行频率调制，产生频率变化的连续信号，作为探测光与泵浦光作用， 从而取代激光器2，调制频率等于布里渊频移，即v。= v。，泵浦光与探测光之间的频率差为布里渊频移，产生受激布里渊散射的放大信号。
虽然基于EOM的布里渊光时域分析系统使现有的布里渊光时域分析系统中很多比较难以解决的问题得到了有效的改进，但在此系统中仍然存在一个不可忽视的问题，那就是在电光调制器对光信号进行频率调制时，电光调制会产生两个边带。而两边带会同时影响泵浦光，且两者对布里渊信号的作用相互抵消，使受激布里渊信号减弱，从而严重影响测量结果。下面我们详细分析电光调制器的两边带对泵浦光的影响。电光调制是利用晶体的电光效应实现对激光调制的一种方法。
3传感系统方案的改进?
为了消除上边带产生的背向散射光对布里渊信号的影响，必须把上边带滤掉或者避免上边带对系统的影响。为此我们设计了基于声光调制器（AOM）产生泵浦脉冲光的布里渊光纤时域分析系统，如图3-1所示。EOM调制产生的连续探测光过程不变，在泵浦光路中加入声光调制器，而声光调制器本身带有一个布里渊频移v，，使入射到传感光纤的泵浦光频率变为v。一v，。从而影响整个系统的传感过程。?
为了验证实验方案的可行性，我们设计了如图3-2所示的EOM输出信号的观测系统。
激光器发出的激光束一路作为参考光，一路经 EOM调节频差，然后与参考光进行相干检测，通过光电探测放大，输出信号送HP8672A 频谱分析仪观测，观测到的图形即为探测光与泵浦光之间的频差信号。当在调频光路中加入声光调制器，同样与参考光进行相干检测并放大， 用频谱分析仪观测两者频率差。
4光电探测与放大电路设计?
光电探测器是把接收到的受激布里渊散射光信号转化为电信号，并把电信号进行电压或电流放大，然后与后面的信号采集处理系统进行对接。因为受激布里渊散射信号比较微弱，经光电装换后的电信号相对也非常微弱，还受到各种噪声的影响，所以很容易就使信号淹没在噪声中。因此在进行光电探测电路的设计时， 要尽量提高信噪比，但在进行布里渊散射信号探测时，要重点兼顾频率信号的变化，所以设计光电探测器时应考虑稳定性、长寿命、低工作电压;在工作波长上灵敏度高， 具有接收微弱光信号的能力;具有足够高的响应度;附加噪声小;线性好;光电探测器的设计分为探测电路和信号处理电路两部分。其中，光电探测电路主要由光电转换电路和背景光调节电路组成，负责把布里渊散射信号由光信号转换为电流或电压信号，再将转换后的信号进行放大，以便信号处理电路对信号的处理。信号处理电路由可调增益放大电路、滤波电路、A/D转换电路等电路构成，将由光电探测电路传输过来的信号进行进一步的可控增益放大， 再通过滤波电路滤除噪声等杂波，最后转换为数字信号以便计算机的读取。如图4-1所示为光纤布里渊散射信号探测系统的基本结构组成。
5电路设计?
由于微弱的布里渊散射光信号经光电二极管后的电压也很小，所以要将信号进行放大。放大电路要保持采集信号的准确性且不受噪声的影响，同时要有宽带高速等特点，而放大器是放大电路中的关键器件，所以根据信号的特点选择了单位增益集成运算放大器 OPA656并对放大电路进行了设计。
运算放大器 OPA656输入电压电流噪声低，能够实现理想的带宽及高灵敏度的光电接收1，所以选择OPA656作为设计电路的放大器件。OPA656主要参数为：偏置电流：2pA;增益带宽：230MHz;共模输入电容：2.8pF;差模输入电容：0.7pF;输入电阻：10?Q;低噪聲电流：1.3pA/√z;低噪声电压：7nV/√Hz;高输出电流：70mA;转换速率：290V/us。
6 小结?
本文分析了现有的BOTDA布里渊传感系统的技术原理及存在的问题，在此基础上提出了相关的改进办法，即利用电光调制器取代其中进行频率调谐的激光器产生频率变化的探测光。设计了基于EOM调制的光时域分析传感系统，分析了EOM调制后光路中存在的问题及解决的方法。最后通过实验验证了设计方案的可行性。
参考文献：
[1] 路杰;基于光纤布里渊与光栅的多尺度传感网络技术[D];大连理工大学;2011?
[2] 高岑;基于BODR的周界入侵报警系统中传感光缆特性的研究[D];南京大学;2011?
[3] 李德桥;基于分布式光纤传感技术的管道弯曲变形监测响因素研究[D]中北大学2011
[4] 李勇涛;外差检测boTDR温度和应变传感技术研究[D]：华北电力大学2011
[5] 张竞文;基于BoTDA的温度/应变传感的理论和实验研究[D];华北电力大学20112?
[6] 杨帆：应用于布里渊温度传感的外差检测的研究;华中科技大学[D]：;2012
关键词：分布式光纤，布里渊，散射光纤
1基于电光调制移频的传感新方法?
现有的BOTDA分布式光纤温度传感系统需要两台频率匹配的激光器，同时要求激光器具有窄线宽、可调谐和高稳定性，系统结构非常复杂、价格昂贵，很难应用于实际中，为此，本章提出了基于电光调制技术（EOM）的BOTDA光纤传感技术新方法。?
BOTDA（布里渊光时域分析）技术是两激光器发出的激光束分别从两端相向传入传感光纤，一束作为泵浦光，其频率为v。，在传感光纤中产生的背向散射光频率为v。，两者的频率差即为布里渊频移（△v。）;另一束作为探测光，其频率为v。，调节探测光频率，与 当两者之间的频率差等于布里渊频移时，即△v=△v。时，光纤中产生受激布里渊散射，所以通过调节激光器2的频率，可以改变两激光器的频率差，当传感光纤的温度发生改变时，调节激光器2的波长，即可改变激光频率，实现布里渊信号的测量，从而得到传感光纤的温度信息。?
2基于电光调制器的传感系统方案?
针对现有的布里渊光时域分析系统存在的问题，我们提出了基于电光调制的 BOTDA 光纤传感方案。这里只使用一台激光器，通过电光调制器（EOMy列调制产生的频移光代替另外一台激光器产生的激光束。将从激光器1发出的激光分为两束，调节频率发生器，使电光调制器对其中一束光进行频率调制，产生频率变化的连续信号，作为探测光与泵浦光作用， 从而取代激光器2，调制频率等于布里渊频移，即v。= v。，泵浦光与探测光之间的频率差为布里渊频移，产生受激布里渊散射的放大信号。
虽然基于EOM的布里渊光时域分析系统使现有的布里渊光时域分析系统中很多比较难以解决的问题得到了有效的改进，但在此系统中仍然存在一个不可忽视的问题，那就是在电光调制器对光信号进行频率调制时，电光调制会产生两个边带。而两边带会同时影响泵浦光，且两者对布里渊信号的作用相互抵消，使受激布里渊信号减弱，从而严重影响测量结果。下面我们详细分析电光调制器的两边带对泵浦光的影响。电光调制是利用晶体的电光效应实现对激光调制的一种方法。
3传感系统方案的改进?
为了消除上边带产生的背向散射光对布里渊信号的影响，必须把上边带滤掉或者避免上边带对系统的影响。为此我们设计了基于声光调制器（AOM）产生泵浦脉冲光的布里渊光纤时域分析系统，如图3-1所示。EOM调制产生的连续探测光过程不变，在泵浦光路中加入声光调制器，而声光调制器本身带有一个布里渊频移v，，使入射到传感光纤的泵浦光频率变为v。一v，。从而影响整个系统的传感过程。?
为了验证实验方案的可行性，我们设计了如图3-2所示的EOM输出信号的观测系统。
激光器发出的激光束一路作为参考光，一路经 EOM调节频差，然后与参考光进行相干检测，通过光电探测放大，输出信号送HP8672A 频谱分析仪观测，观测到的图形即为探测光与泵浦光之间的频差信号。当在调频光路中加入声光调制器，同样与参考光进行相干检测并放大， 用频谱分析仪观测两者频率差。
4光电探测与放大电路设计?
光电探测器是把接收到的受激布里渊散射光信号转化为电信号，并把电信号进行电压或电流放大，然后与后面的信号采集处理系统进行对接。因为受激布里渊散射信号比较微弱，经光电装换后的电信号相对也非常微弱，还受到各种噪声的影响，所以很容易就使信号淹没在噪声中。因此在进行光电探测电路的设计时， 要尽量提高信噪比，但在进行布里渊散射信号探测时，要重点兼顾频率信号的变化，所以设计光电探测器时应考虑稳定性、长寿命、低工作电压;在工作波长上灵敏度高， 具有接收微弱光信号的能力;具有足够高的响应度;附加噪声小;线性好;光电探测器的设计分为探测电路和信号处理电路两部分。其中，光电探测电路主要由光电转换电路和背景光调节电路组成，负责把布里渊散射信号由光信号转换为电流或电压信号，再将转换后的信号进行放大，以便信号处理电路对信号的处理。信号处理电路由可调增益放大电路、滤波电路、A/D转换电路等电路构成，将由光电探测电路传输过来的信号进行进一步的可控增益放大， 再通过滤波电路滤除噪声等杂波，最后转换为数字信号以便计算机的读取。如图4-1所示为光纤布里渊散射信号探测系统的基本结构组成。
5电路设计?
由于微弱的布里渊散射光信号经光电二极管后的电压也很小，所以要将信号进行放大。放大电路要保持采集信号的准确性且不受噪声的影响，同时要有宽带高速等特点，而放大器是放大电路中的关键器件，所以根据信号的特点选择了单位增益集成运算放大器 OPA656并对放大电路进行了设计。
运算放大器 OPA656输入电压电流噪声低，能够实现理想的带宽及高灵敏度的光电接收1，所以选择OPA656作为设计电路的放大器件。OPA656主要参数为：偏置电流：2pA;增益带宽：230MHz;共模输入电容：2.8pF;差模输入电容：0.7pF;输入电阻：10?Q;低噪聲电流：1.3pA/√z;低噪声电压：7nV/√Hz;高输出电流：70mA;转换速率：290V/us。
6 小结?
本文分析了现有的BOTDA布里渊传感系统的技术原理及存在的问题，在此基础上提出了相关的改进办法，即利用电光调制器取代其中进行频率调谐的激光器产生频率变化的探测光。设计了基于EOM调制的光时域分析传感系统，分析了EOM调制后光路中存在的问题及解决的方法。最后通过实验验证了设计方案的可行性。
参考文献：
[1] 路杰;基于光纤布里渊与光栅的多尺度传感网络技术[D];大连理工大学;2011?
[2] 高岑;基于BODR的周界入侵报警系统中传感光缆特性的研究[D];南京大学;2011?
[3] 李德桥;基于分布式光纤传感技术的管道弯曲变形监测响因素研究[D]中北大学2011
[4] 李勇涛;外差检测boTDR温度和应变传感技术研究[D]：华北电力大学2011
[5] 张竞文;基于BoTDA的温度/应变传感的理论和实验研究[D];华北电力大学20112?
[6] 杨帆：应用于布里渊温度传感的外差检测的研究;华中科技大学[D]：;2012