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摘 要

偏振光时域反射技术（POTDR）对压力、温度等环境变化十分敏感，在多领域的故障诊断及事故预警中具有诱人的应用前景。但POTDR技术发展至今，仍然未有成熟的商业化产品出现，需要解决的问题主要有多点传感、传感参量定量分析等。本文便以侧压力为落脚点，分析POTDR对传感参量进行定量测量的可行性。

本文通过分析光纤应力双折射与侧压力大小的理论关系，提出可由双折射变化量反向计算侧压力变化量，并据此设计仿真方案进行验证。结合Mueller矩阵、Stokes矢量等，利用MATLAB构建POTDR光纤波片模型进行仿真。在分析返回光纤初始端的偏振态变化规律后，发现随侧压力的增大，偏振态发生均匀的周期性变化，可见本文方法具有一定可行性。

关键词：POTDR 分布式光纤传感技术 应力双折射 定量分析

The Quantitative Analysis of POTDR Sensor Parameters

Abstract

Polarization optical time domain reflectmeter（POTDR）is very sensitive to pressure, temperature and other environmental changes. However, POTDR has not yet developed into a mature commercial product. The main problems to be solved are multi-point detecting and quantitative analysis of sensing parameters. In this paper, the feasibility of quantitative measurement of the sensing parameters is analyzed.

In this paper, the theoretical relationship between the stress birefringence and the lateral pressure is analyzed, and the pressure change can be calculated by the birefringence, and the simulation scheme is designed accordingly. Combined with Mueller matrix and Stokes vector, POTDR fiber wave plate model was built by MATLAB for simulation. After analyzing the change rule of polarization state at the initial end of the returned fiber, it is found that the polarization state changes periodically with the increase of lateral pressure, which shows that the method in this paper has certain feasibility.

Key Words: POTDR; Distributed Optical Fiber Sensing Technology; Stress Birefringence ; Quantitative Analysis;

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 光纤传感技术 1

1.2 光时域反射技术 1

1.2.1 偏振光时域反射技术(POTDR) 2

1.2.2 布里渊光时域发射技术（BOTDR） 2

1.2.3 拉曼散射光时域反射技术（ROTDR） 2

1.3 偏振光时域反射传感技术 3

1.3.1 发展历史 3

1.3.2 POTDR存在的问题 4

1.4 本文选题意义及主要内容 4

1.4.1 本文选题意义 4

1.4.2 本文主要安排 5

第二章 偏振光时域反射技术 6

2.1 光偏振概述 6

2.1.1 光偏振现象 6

2.1.2 光偏振态的描述方法 6

2.2 POTDR系统基本原理 10

2.2.1 POTDR的基本结构 10

2.2.2 POTDR工作原理 10

2.2.3 POTDR主要性能参数 12

2.3 小结 14

第三章 侧压力定量分析 15

3.1 光纤应力双折射分析 15

3.2 光纤波片模型 16

3.2.1 光纤中常见偏振效应及其Mueller矩阵 16

3.2.2 光纤波片模型 17

3.3 侧压力定量分析方案设计 18

3.4 本章小结 19

第四章 仿真与结果分析 20

4.1 偏振态单点受力定位分析 20

4.2 同一施力点压力线性变化 21

4.3 两点同时施加压力 27

4.3本章小结 31

第五章 总结与展望 32

5.1 总结 32

5.2 展望 32

参考文献 34

致谢 36

第一章 绪论

1.1 光纤传感技术

上世纪70年代以来，光纤传感技术开始发展，并逐渐成为光电技术领域中最为活跃的分支之一^[1]。光纤传感技术是一种新型传感技术，光波传载信息，光纤既需要实现光波的传输功能，又需要实现感知被测物理量的传感功能^[2]。与传统的传感器相比，光纤传感器有着诸多优势，如可测量的物理参量多、感知外界物理量变化的灵敏度高、体积更小，有更大的带宽和更小的损耗等，因此光纤传感技术已在传感领域占据越来越重要的位置。

光纤传感技术可分为很多种类，按照不同的标准有不同的分类方法。如光纤的功能不同，可分为功能型和非功能型传感器；探测目标对象不同，则对应温度传感器、压力传感器等；根据探测范围的不同，又可分为全分布式光纤传感器和点式光纤传感器^[3]。

分布式光纤传感器中，光纤承载着感知被测物理量的传感功能，利用光纤中光波的传输特性，可获得传感参量在光纤沿线上连续分布的结果，可实现长距离，大范围传感，在能源、航空航天、建筑、通信、交通、军事等诸多领域的故障诊断及事故预警中具有十分诱人的应用前景^[4]。

全分布式光纤传感技术需要解决的问题主要有两方面：一个是如何解决被测参量的感知问题，另一个是如何实现对被测参量的准确定位。对于前者，可从传输光的传输损耗等特性入手，得到被测量物理量的连续分布结果；对于第二个问题，则有光时域反射技术、光频域反射技术等来获得准确定位^[5]。本文研究对象POTDR便是一种基于瑞利散射的光时域反射技术。

1.2 光时域反射技术

光时域反射技术（OTDR，Optical Time Domain Reflectometry），是M.K.Barnoski与S.M.Jensen在1976年提出用于测量多模光纤损耗的技术^[6]。OTDR利用了光的后向散射进行传感，散射是光纤中光子与介质微粒相互作用的结果，布里渊散射、瑞利散射以及拉曼散射是光纤中最为常见的散射^[7]。其中，瑞利散射在散射前后不发生频移，属于弹性散射，其余两种则是非弹性散射。

1.2.1 偏振光时域反射技术(POTDR)

偏振光时域反射技术（POTDR，Polarization Optical Time Domain Reflectmeter），利用利用光纤中后向瑞利（Rayleigh）散射光的偏振态不发生变化进行传感。因为光纤中传输的偏振光对外界如应变、温度等物理量的变化十分敏感，所以可以通过观察光波偏振态的变化来监测此类变量的变化情况^[8]。POTDR多采用差分法进行对外界扰动的定位，短时间内进行需要多次测量检验对比。POTDR技术诞生于传感领域，但其后续研究却多集中在测量光纤本身的特性上，如偏振膜色散（PMD）、双折射、偏振相关损耗（PDL）、拍长等^[9]。

1.2.2 布里渊光时域发射技术（BOTDR）

布里渊(Brillouin)散射是指光子在光纤中传输时，与声子发生了非弹性碰撞，在此过程中产生了频移，可分为自发散射和受激散射^[10]。研究表明布里渊散射过程中产生的频移与温度或应力之间满足一定的线性关系^[11]，BOTDR（Brillouin Optical Time Domain Reflectometry）技术就是利用这种线性关系实现的分布式传感。

BOTDR的基本结构如下：

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