摘 要

在光缆维护尤其是对于地下光缆、海缆的维护的过程中，准确对光纤故障点进行定位十分重要。而依据OTDR 技术无法检测出微弱的温度或应力变化；传统POTDR技术不能对多个静态故障点进行定位。

本文改进了传统基于POTDR的光纤多点同时传感系统，利用POTDR系统的斯托克斯矢量，通过计算偏振态在邦加球上“距离”来对光纤中施力点进行定位，并对得到的结果进行平滑滤波等处理。

本文使用matlab仿真光纤的波片模型，人为设定施力点，分别用传统POTDR系统和本文系统进行对比。经过仿真验证、结果对比，该系统可以准确定位光纤中多个静态应力点。

关键词：斯托克斯矢量 POTDR 精准定位

Research on POTDR Multiple Fault Point Sensing Technology

Abstract

In the maintenance of optical cable, especially for the maintenance of underground optical cables and submarine cables, it is very important to accurately locate the fiber breakpoints. According to OTDR technology, weak temperature or stress changes cannot be detected, and traditional POTDR technology cannot locate multiple static fault points.

In this paper, the traditional POTDR-based fiber multi-point simultaneous sensing system is improved. By using the Stokes vector of the POTDR system, the force point in the fiber is located by calculating the "distance" of the polarization state on the Bangka ball. As a result, smoothing processing and the like are performed.

In this paper, the wave plate model of optical fiber is simulated by matlab, and the fault point is artificially set. The traditional POTDR system is compared with the system of this paper. After simulation and comparison of results, the system can accurately locate multiple static stress points in the fiber.

Key Words: Stokes vector;Polarization-OTDR;Precise positioning

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 光纤传感器 1

1.2 光时域反射技术 2

1.2.1 基于瑞利散射的光时域反射技术 2

1.2.2 基于布里渊散射的光时域反射技术 4

1.2.3 基于拉曼散射的光时域反射技术 4

1.3 POTDR国内外研究现状 5

1.4 本文的研究内容及意义 6

第二章 偏振光学及POTDR基础 7

2.1 偏振光学基础 7

2.1.1 完全偏振光和部分偏振光 8

2.1.2 光纤中的偏振 8

2.2 偏振光的描述 8

2.2.1 电矢量描述 8

2.2.2 琼斯矢量描述 9

2.2.3 斯托克斯矢量描述 10

2.2.4 邦加球描述 12

2.3 基于应力的多故障点分析 14

2.3.1 应力作用下光纤的形变 15

2.3.2 矢量微扰法应力双折射 15

2.3.3 应力双折射 16

2.4本章小结 16

第三章 POTDR多故障点传感技术 17

3.1 POTDR多故障点探测的难点 17

3.2 多点应力下光纤故障点探测 17

3.2.1 光纤中的双折射 17

3.2.2 POTDR的基本原理 18

3.2.3 POTDR的基本结构 18

3.2.4 POTDR的定位原理 19

3.3 POTDR的系统设计 19

3.3.1 POTDR系统的设计原理 19

3.3.2 改进后系统的仿真结果 20

3.4 matlab仿真步骤 21

3.5 仿真结果的处理 21

3.5.1计算邦加球空间距离 21

3.5.2 对结果滑动平均滤波（平滑滤波） 22

3.5.3 对结果取峰值 22

3.6 matlab仿真结果 23

3.6.1 两点相同施力大小、改变施力位置 24

3.6.2 两点不同施力大小（前面施力点施力大小＜后面施力）不改变施力位置 26

3.6.3 两点不同施力大小（前面施力点施力大小＞后面大小）不改变施力位置 27

3.6.4 三点施力，相同施力大小 29

3.7本章小结 30

第四章 总结和展望 31

参考文献 32

致谢 35

第一章 绪论

1.1 光纤传感器

上世纪70年代以来，光纤技术发展态势迅猛。与此同时，随着光纤通信技术的不断发展，应用程度不断加深。光纤传感技术也随之迅速发展。本质上讲光纤传感技术是一种把光作为载体，以光纤作为信号的传输介质的新型传感技术。同时光纤也作为新型的传感的主要部分，作为和外界信号连接的主要途径。

光纤传感器一经问世，就倍受关注，随着光导纤维实用化、光纤通信的发展，光纤传感器已经在军事、国防、商用、民用领域取得了长足的发展；在能源、交通、航空航天、建筑等方面也发挥着重要的作用。

新型光纤传感器相对于传统的热电偶、热电阻、压阻式、磁电式等电量型传感器而言有很大的优势。光纤传感器具有以下优点^[1]：

1. 传输速度快，传输距离长、通信带宽大。光纤通信是以光为媒介的通信方式，由于光速是已知自然界最快的速度，所以光纤通信的信号传输速度也相当可观。光纤的工作频带宽、并且在传输过程中光纤的损耗也非常小，所以非常适用于长距离传感。
2. 抗电磁干扰、不容易被腐蚀、不容易受到外界信号干扰。由于传感介质的光纤或光纤传感器件的主要材料是二氧化硅，该物质性质稳定。所以此类器件可以工作在比较恶劣的环境条件中。如强电、石油、高腐蚀易燃易爆等场合进行非接触式、非破坏性的有效传感。同样由于主要成分是二氧化硅，化学分子稳定，不容易与其他物质发生反应，所以光纤或者光纤传感器的稳定性较好，不容易发生腐蚀。
3. 结构小，可以按照要求一定程度改变形状。光纤传感器的主要部分是光纤，所以光纤传感器的体积小且质量轻。并且光纤可以在一定程度下弯曲，所以光纤传感器可以最大程度的适应环境。
4. 可测参数多、对象广。除了应力、温度、弯曲程度外还可以测量速度、加速度、转速、弯曲等新型传感领域。这就需要用到不同的调制解调方法，才能做到对各个参量的测量。
5. 灵敏度高。光在传播过程中有很好的保真效果，但是要使用非常有效的光纤传感器的设计方法。这样才能得到较高的灵敏度。

在各种光纤传感器中，分布式光纤传感器因其可以在光纤长度上对沿光纤几何路径分布的外部物理参量进行连续的测量，也可以同时获得被测物理参量的空间分布状态和随时间变化的信息，目前受到研究人员的广泛关注^[2]。本文主要介绍光时域反射技术。

1.2 光时域反射技术

光纤中的光的散射一般包含三种。分别是瑞利散射（Rayleigh Scattering）,布里渊散射（Brillouin Scattering）和拉曼散射（Raman Scattering）。这三种散射在发生时大不相同。

其中入射光光在发生瑞利散射时频率保持不变，散射光功率也是最大的。

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