光纤遥感中光脉冲相关测量传感信号不稳定性的抑制

抽象的

光纤传感有可能克服传统电动传感器的薄弱点。根据入射光的调制参数提出了许多类型的光纤传感器。我们提出了一种光学脉冲相关感测系统，其专注于传播光学脉冲的时间漂移​​值，以监测沿着感测区域中的光纤的温度或应变感应的延伸。在这项研究中，我们考虑光学脉冲相关感测系统中的不稳定性，其应用于远程监控超过一公里长的距离。我们介绍一种方法来稳定由沿传输线的时间漂移​​波动产生的脉冲相关信号的不稳定性。通过使用这种方法，我们可以净化响应并提高聚焦传感区域的信号的准确性。我们还通过远程参考技术进行了经过经过经过30公里长的距离的远程温度监测，并且我们估计了温度变化的分辨率和可测量的跨度和分别在哪里为传感区域内光纤的长度。

1.介绍

近年来，光纤传感器因其耐腐蚀、抗电磁干扰、元器件寿命长、灵敏度高、复用能力强等原因引起了人们越来越多的关注[1- - - - - -6］.该传感器根据环境参数，如温度和应变，将信息印到光束上。可以用强度、相位、波长和时间来表示信息。在他们的研究过程中，提出了许多类型的光纤传感器，如光纤Bragg光栅(FBG)传感器[7、低相干干涉传感器[8， Fabry-Pérot传感器[9，10]布里渊散射分布式传感器[11，以及拉曼散射分布传感器[12］.由于光纤传感器只访问光纤的一端，就能测量几十公里范围内的应变和温度，因此预计光纤传感器将被用于监测复杂的复合结构[13，14］.通过使用实际结构进行可行性研究，例如桥梁[15- - - - - -17],大坝[18]、海上车辆[19和飞机[20.，21］.

在我们的实验室中，我们提出并开发了一种光脉冲相关感测系统，其中感测信号是由感测区域中的光纤沿光纤引起的光学脉冲的时间漂移​​值[22- - - - - -26］.该传感系统不仅简单而且方便，而且对温度或应变测量的高度准确性[24］.值得注意的是，我们的光纤传感器可以用作线传感器，即，由光纤的膨胀引起的时间漂移​​沿着传感区域集成，并且感测信号与综合时间漂移成比例。因此，我们可以通过改变感测区域中的光纤长度来选择灵敏度。

在此，我们考虑将光脉冲相关传感系统应用于一公里以上的远程监测。为此，一公里长的光纤被用作连接监测中心和传感区域的传输线。然而，在这种情况下，传输线周围的微小温度或应变波动会沿着长光纤集成，从而导致传感信号中的一些不稳定性，例如功率、偏振和时间漂移波动。

本文主要研究时间漂移波动，并估计其对信号漂移的影响。此外，我们介绍了一种利用局部反射器区域分离技术抑制波动的方法[27］.我们还通过30公里长的传输线进行了实验证明远程温度感测，并估计了温度变化的分辨率和可测量的跨度。

本文的其余部分安排如下。节2，介绍了光脉冲相关传感系统的原理。节3.，我们通过实验证实由长传输线引起的传感信号的时间漂移​​波动。然后，我们提出了一种改进的实验设置，可以稳定感测信号，以符合时间漂移波动4．在这种设置中，使用远程参考脉冲来抑制波动。此外，我们演示了超过30公里距离的远程温度监测。本节给出了结论5．

2.光脉冲相关传感系统的原理

２.１.基于光脉冲相关测量的传统传感系统

我们传统系统的示意图如图所示1．首先，我们产生两个光脉冲，一个参考脉冲还有一个监测脉冲，在监控中心。监测脉冲通过传输线，然后进入传感区域。然后，监测脉冲被反射回监测中心，进入脉冲相关测量单元。相比之下，参考脉冲直接进入脉冲相关测量单元。如果传感区域的温度或应变发生变化，测量光纤中的光路就会产生相对时间漂移的变化在参考脉冲和监测脉冲之间。从脉冲相关测量所测得的时间漂移值的变化，我们可以估计温度或应变的变化。

2.2。脉冲相关测量单元

脉冲相关测量单元的示意图如图所示2．在这个系统中，一个参考脉冲偏振被分成两个正交偏振脉冲，（水平极化）和(垂直极化)，具有固定的时间间隔由双折射晶体(脉冲倍频器)引起的。监测脉冲偏振与双参考脉冲相结合，利用偏振分束器将偏振光束分成两个通道。因此，一个信道有一个反向参考脉冲还有一个带有时间漂移的监控脉冲，而另一个通道有一个正向参考脉冲还有一个带有时间漂移的监控脉冲．

在每个通道中，通过两个雪崩光电二极管(APDs)观测到二次谐波产生(SHG)信号。当监测脉冲与参考脉冲完全重叠时，SHG输出最大，其半最大值的全宽度与脉宽有关脉冲激光的入射。图中的绿色虚线和蓝色虚线3.展示时间漂移之间的典型关系的理论图和宋惠乔输出。为了获得关于时间漂移值的宽范围线性响应，我们考虑两个SHG输出之间的差分信号(见图中的红色实线)3.）.差分信号曲线的重要部分在图中虚线椭圆内突出显示3.．在该区域，输出关系与时间漂移值具有良好的线性关系。接下来，我们利用这个线性关系估计微分信号的时间漂移值。

2.3。由于温度或应变变化的时间漂移​​值的变化

时间漂移值的变化纤维长度内可以在温度变化方面表达应变发生了变化： 在哪里是光纤每单位长度的时间漂移​​值的变化，以及和分别为温度敏感性和应变敏感性。对于波长为1550 nm、直径为2 mm的标准商用单模光纤，其典型值为 ［26),［28］.

现在，我们考虑测量长度为的传感区域周围的温度或应变变化在具有长度的传输线上(见图4）.和分别为沿传感区域和传输线的单位长度时间漂移值的变化。我们假设取决于时间吗也就是说，在传输线周围存在温度或应变的时间波动。

光脉冲相关传感系统的常规情况如图所示4(a)，监测脉冲通过传输线发送到传感区域，而参考脉冲保持在监测中心(我们称之为“本地”参考脉冲)。我们近似的时间变化由传输线中的传播时间()及感应区(）通过一阶泰勒扩张。时间漂移值的变化是计算 我们假设和以光速以及群速度的折射率．的第一项3.)对应于感知信号，第二项为(3.)表示由传输线引起的时间漂移波动的影响。如果第二项与第一项相比足够小，我们可以从时间漂移值估计传感区域内的温度或应变变化．然而，对于较长的输电线路，可以变得足够大，从而引起可感知的时间漂移波动。

为了抑制这种波动，我们可以利用一个“远程参考脉冲”，即在传感区域之前由部分反射器反射的光脉冲(见图)4(b))。这个想法的灵感来自于用于实现多区域感知的区域分离技术[27］.在这种情况下，时间漂移值的变化是计算 通过使用远程参考脉冲，主要因素由于参考脉冲和监测脉冲都通过传输线，因此传输线引起的时间漂移波动被抵消了。在(4）显示由参考和监视脉冲之间的传播时间差异引起的时间变化波动的影响。如果是第二个术语（4）与第一项相比，足够小，可以通过使用远程参考脉冲来稳定时间漂移波动。

从(2)，我们的传感系统具有温度和应变变化的交叉灵敏度。最简单的方法识别应变和温度变化是使用两个光纤第一个测量对象是不固定的,也就是说,分离菌株和经历温度变化,和第二个是固定在测量对象,也就是说,受压力和温度的影响。假设两根传感光纤温度相同，可以利用第一传感器的时间漂移值的变化，从第二传感器推导出温度校正应变值。接下来，光纤不是固定在测量对象上，我们只监测温度的变化。

3.长传输线中时间漂移波动的实验观察

数字5展示了使用脉冲相关测量进行光纤遥感的实验装置。我们使用重复频率为1.4794 GHz、中心波长为1550 nm、脉宽约为10 ps的光脉冲作为光源。首先，通过耦合器将输入脉冲分割为参考脉冲和监测脉冲。监测脉冲通过光循环器和传输线，然后进入传感区域。然后监测脉冲反射回环行器，进入脉冲相关测量单元，通过掺铒光纤放大器(EDFA)进行放大，补偿传输线中的传播损耗。相比之下，参考脉冲通过固定在一点上的可调谐延迟线直接进入脉冲相关测量单元，以允许参考脉冲和监测脉冲之间的部分重叠。可调延迟线设备(OZ Optics ODL300)的延迟可以在0到350 ps之间以0.005 ps增量进行调整。在相关测量单元中，定时分离固定是20 ps。两个APD的输出连接到12位模数转换器（ADC），以获得作为电压值的SHG输出功率。最后，计算两个SHG输出之间的输出差分信号并将其存储在个人计算机中。

数字6显示实验获得的SHG输出及其与可调谐延迟线时间位置的微分信号。宽度约为10ps的线性区域可用于时间漂移值的估计。如本节所述2.3.，温度灵敏度为．因此，温度变化的可测量跨度计算为,在那里为传感区域内光纤的长度。这表明当我们使用较长的光纤时，可测量的跨度会变小。

接下来，我们通过使用温度控制器的反馈回路在室温（〜27°C）中稳定1米长传感区域的温度，并连续监测时间漂移值以观察固定温度下的时间漂移​​波动传感区域。实验结果如图所示7．

对于短传输线(～1 m)，时间漂移值相对于监测时间几乎保持不变(见图中的实红线)7）.实际上，时间漂移波动小于0.02 ps，其在ADC的12位分辨率范围内。从该值和灵敏度系数，计算该系统的温度分辨率．我们可以通过改变光纤长度来调整温度分辨率以满足相应的应用要求．

对于长输电线(～30 km)，但即使在恒温敏感区，测得的时间漂移值也随着监测时间逐渐移动，速度为(见图中的蓝色虚线7）.因为可测张成的空间是，只需几分钟的监测时间就可以打破相对于时间漂移值的线性响应。

从(3.)，则可计算出输电线路周围温度变化的速度为: 这种微小的变化是由环境温度和光脉冲变暖引起的。它沿长传输线积分，产生可感知的时间漂移波动。为了实现远程温度监测，需要抑制长输电线路中较大的时间漂移波动。

4.一种脉冲相关传感系统远程参考脉冲

4.1。实验装置

从(5)，我们可以计算(4),s。这个结果与(4）.因此，我们可以利用一个远程参考脉冲来抑制时间漂移波动。

远程参考脉冲的实验设置如图所示8．在这个装置中，参考脉冲被一个反射率约为25%的部分反射器反射，监测脉冲在同一根光纤的末端反射。经过EDFA放大后，反射脉冲包括参考脉冲和监测脉冲被分成两个脉冲。可调延迟线的设置允许在一个臂上的参考脉冲和另一个臂上的监测脉冲之间的部分重叠。

4．2.实验结果

时间漂移值的连续监测如图所示9当1M长传感区域中的温度在室温下固定时。我们可以通过使用远程参考脉冲轻松确认时间漂移值在监视时间内充分稳定。时间漂移波动低于0.2PS即使在30公里长的传输线上的一小时内。这表明温度分辨率是温度变化的可测量范围是．

接下来，我们演示远程温度监测。在传感区域，随着光纤周围温度的变化，连续监测光纤的时间漂移值。数字10显示使用远程参考测量的时间漂移值相对于1米长的监测光纤的温度的变化。通过抑制远距离不稳定性的影响，可以清楚地观察到测量的时间漂移值与传感区域温度之间良好的线性关系。由结果可知，1 m长的监测光纤的温度灵敏度约为，几乎等于[中的值。26］.从图中的误差条估计的温度分辨率10小于．

5.结论

本文介绍了一种利用脉冲相关测量实现远程监测的光纤传感系统。我们估计了长传输线时间漂移波动的影响，提出了一种利用远程参考脉冲来抑制长传输线时间漂移波动的方法。此外，我们利用远程参考脉冲对30公里长的传输线进行了远程温度监测，获得了时间漂移值相对于传感区域周围温度的良好线性。给出了温度变化的分辨率和可测量范围和， 分别。通过改变感测区域中的光纤的长度，我们可以选择分辨率和可测量的跨度。该系统可用于复杂结构的远程温度监测，例如桥梁，油箱，电力变压器和管道。

致谢

本研究得到了2009-2010年度实践应用研究项目(第2号)的部分资助。日本科学技术振兴厅(JST)和日本科学促进协会(JSPS)第1513号。18360180也没有。22657062.

参考

1. 埃德斯·埃德和小w·b·斯皮尔曼，光纤传感器:工程师和科学家简介， John Wiley & Sons，纽约，纽约，美国，1991。
2. J. Dakin和B. Culshaw，光纤传感器:原理和部件， vol. 1, Artech House, Boston, Mass, USA, 1988。
3. 埃德斯的k·t·v·格拉坦和b·t·梅吉特，光纤传感器技术，第2卷：设备和技术，查普曼和霍尔，伦敦，1997。
4. T. G. Giallorenzi, J. A. Bucaro, A. Dandridge等，“光纤传感器技术”，IEEE量子电子学杂志第18卷第2期4，页626-665,1982。视图:谷歌学者
5. F.T.S. Yu和S. Yin，Eds。，光纤传感器， Marcel Dekker，纽约，纽约，美国，2002。
6. L.Thévenaz，“分布式光纤感应的审查和进展”光纤传感器的诉讼程序， Cancuún，墨西哥，2006,ThC1文件。视图:谷歌学者
7. Y. J. Rao，“光纤Bragg光栅传感器”，测量科学与技术，卷。8，不。4，p。355,1997。视图:出版商的网站|谷歌学者
8. J. Rao和D. A. Jackson，“光纤低相干干涉测量的最新进展”，测量科学与技术，第7卷，第5期7，p。981,1996。视图:出版商的网站|谷歌学者
9. A. D. Kersey，D. A. Jackson和M. Corke，“简单的纤维法布里 - 珀罗传感器”，光学通信第45卷第5期2，第71-74页，1983。视图:出版商的网站|谷歌学者
10. “基于波长域检测和低相干光纤法布里-珀罗阵列的多参数同步监测技术”，测量科学与技术，第9卷，第5期。11页，1998年。视图:出版商的网站|谷歌学者
11. J. Dhliwayo, D. J. Webb, D. J. Jackson，“基于布里渊散射的分布式温度传感器的实验和理论研究”，光波技术学报，第13卷，第2期7，第1340-1348页，1995。视图:出版商的网站|谷歌学者
12. M. A. Farahani和T. Gogolla，“用于分布式温度拉曼遥感的光纤调制探测光的自发喇曼散射”，光波技术学报，第十七卷，第二期8，第1379-1391页，1999。视图:出版商的网站|谷歌学者
13. e . Udd Ed。光纤智能结构，威利，纽约，纽约，美国，1995。
14. d . Balageas C.-P。弗里岑和A.盖姆斯结构健康监测， Wiley-ISTE，伦敦，英国，2006。
15. R.Maaskanta，T.Alaviea，R。衡量衡量标准，G.Tadrosb，S. Rizkallac和A. Guha-Thakurtad，“桥梁监测的光纤布拉格光栅传感器”，水泥混凝土复合材料第19卷第2期1，页21-33,1997。视图:出版商的网站|谷歌学者
16. D. Inaudi, S. Vurpillot, N. Casanova，和P. Kronenberg，“使用干涉光纤传感器的曲率分析结构监测”，智能材料与结构，第7卷，第5期第2页，199 - 208,1998。视图:出版商的网站|谷歌学者
17. W.L.Schulz，E. UDD，J. M. Seim和G.E.CCGILL，“用于桥梁，结构和高速公路的先进光纤光栅应变传感器系统，”智能结构和材料1998桥梁、结构和公路智能系统，第3325卷学报学报，第212-221页，1998年3月。视图:出版商的网站|谷歌学者
18. L.Thévenaz，M. Facchini，A. Fellay，P. Robert，D. Inaudi和B. Dardel，“使用分布式布里渊纤维感应的大结构监测”第13届国际光纤传感器会议论文集，第3746卷，第345-348页，1999。视图:谷歌学者
19. D. R. Hjelme, L. Bjerkan, S. Neegard, J. S. Rambech，和J. V. Aarsnes，“Bragg光栅传感器在比例海洋车辆模型表征中的应用”，应用光学第36卷第2期1，第328-336页，1997。视图:谷歌学者
20. P. D. Foote，“用于航天智能结构的光纤Bragg光栅应变传感器。,“在第二届欧洲智能结构和材料会议，第2361卷学报学报，第290-293页，1994。视图:谷歌学者
21. W. Staszewski, C. Boller和G. Tomlinson, Eds，航空航天结构健康监测， John Wiley & Sons，奇切斯特，英国，2004。
22. K. Uchiyama, K. Nonaka，和H. Takara，“利用光学双脉冲相关测量的亚皮秒定时控制”，IEEE Photonics Technology字母，第16卷，第5期。2，页626-628,2004。视图:出版商的网站|谷歌学者
23. K. Nonaka, M. Sato，和T. Suzuki，“利用脉冲相关和差分检测的光纤延迟监测的光脉冲定时漂移传感”，出版第17届国际光纤传感器会议论文集年第5855卷学报学报，第76页，2005。视图:谷歌学者
24. H. B. Song, T. Suzuki, M. Sato, K. Nonaka，“基于相关和微分技术的高时间分辨率光纤传感系统”，测量科学与技术，第十七卷，第二期4, p. 631, 2006。视图:出版商的网站|谷歌学者
25. H. B. Song，T.Suzuki，T.Fjimura，K.Nonaka，T. Shioda和T. Kurokawa，“光学相关传感系统的偏振波动抑制和灵敏度增强”，测量科学与技术第18卷第2期10，p。3230,2007。视图:出版商的网站|谷歌学者
26. 徐学军，“基于光脉冲相关和时分复用技术的高灵敏度光纤温度传感系统”，日本应用物理学报，卷。48，物品ID 102403,5页，2009。视图:出版商的网站|谷歌学者
27. 徐旭东，“基于区域分离技术的光纤应变测量方法研究”，杂志上的传感器文章编号839803,10页，2010。视图:出版商的网站|谷歌学者
28. “我们通过拉伸光纤实验测量了应变灵敏度”。视图:谷歌学者

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