光纤传感技术论文外文文献

本项研究受国家杰出青年科学基金项目（40225006）和国家教育部重点项目（01086）资助。

施斌丁勇索文斌高俊启

（南京大学光电传感工程监测中心，江苏南京，210093）

【摘要】分布式光纤传感技术，如布里渊散射光时域反射测量技术（简称BOTDR），是国际上近几年才发展成熟的一项尖端技术，应用非常广泛。本文着重介绍 BOTDR分布式光纤传感技术在隧道、基坑和路面等3个方面的应用。在工程监测过程中积累起来的大量监测数据表明，BOTDR分布式光纤传感技术，是一种全新而可靠的监测方法，它在工程实践中的应用为工程监测提供了一种新的思路，因而必将拥有一个广阔的发展前景。

【关键词】BOTDR光纤传感工程监测应变

1引言

随着人们对工程安全要求的日益提高，近年来，一批新式的传感监测技术得到发展，它们不是对传统传感监测技术简单地加以改良，而是从根本上改变了传感原理，从而提供了全新的监测方法和思路。其中，尤以 BOTDR分布式光纤传感技术为世人所瞩目，它利用普通的通讯光纤，以类似于神经系统的方式，植入建筑物体内，获得全面的应变和温度信息。该技术已成为日本、加拿大、瑞士、法国及美国等发达国家竞相研发的课题。这一技术在我国尚处于发展阶段，目前已在一些隧道工程监测中得到成功应用，并逐步向其他工程领域扩展。

南京大学光电传感工程监测中心在南京大学985工程项目和国家教育部重点项目的支持下，建成了我国第一个针对大型基础工程的BOTDR分布式光纤应变监测实验室，开展了一系列的实验研究，并成功地将这一技术应用到了地下隧道等工程的实际监测中，取得了一批重要成果，为将这一技术全面应用于我国各类大型基础工程和地质工程的质量监测和健康诊断提供了坚实基础。

2BOTDR分布式光纤传感技术的原理

布里渊散射同时受应变和温度的影响，当光纤沿线的温度发生变化或者存在轴向应变时，光纤中的背向布里渊散射光的频率将发生漂移，频率的漂移量与光纤应变和温度的变化呈良好的线性关系，因此通过测量光纤中的背向自然布里渊散射光的频率漂移量（vB）就可以得到光纤沿线温度和应变的分布信息。BOTDR的应变测量原理如图1所示。

为了得到光纤沿线的应变分布，BOTDR需要得到光纤沿线的布里渊散射光谱，也就是要得到光纤沿线的vB分布。BOTDR的测量原理与OTDR(Optical Time-Domain Reflectometer）技术很相似，脉冲光以一定的频率自光纤的一端入射，入射的脉冲光与光纤中的声学声子发生相互作用后产生布里渊散射，其中的背向布里渊散射光沿光纤原路返回到脉冲光的入射端，进入 BOT-DR的受光部和信号处理单元，经过一系列复杂的信号处理可以得到光纤沿线的布里渊背散光的功率分布，如图1中（b）所示。发生散射的位置至脉冲光的入射端，即至 BOTDR的距离 Z可以通过式（1）计算得到。之后按照上述的方法按一定间隔改变入射光的频率反复测量，就可以获得光纤上每个采样点的布里渊散射光的频谱图。

图1BOTDR的应变测量原理图

如图1中（c）所示，理论上布里渊背散光谱为洛仑滋形，其峰值功率所对应的频率即是布里渊频移 vB。如果光纤受到轴向拉伸，拉伸段光纤的布里渊频移就要发生改变，通过频移的变化量与光纤的应变之间的线性关系就可以得到应变量。式中：c—真空中的光速；

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n——光纤的折射率；

T—发出的脉冲光与接收到的散射光的时间间隔。

目前国际上最先进的BOTDR监测设备以日本 NTT公司最新研制开发的最新一代 AQ8603型BOTDR光纤应变分析仪为代表。表1为AQ8603的主要技术性能指标。

表1AQ8603光纤应变分析仪的主要技术性能指标

3隧道安全监测

BOTDR分布式光纤传感技术在隧道方面的应用，目前已经在国内日渐成熟。我们在几条隧道变形监测系统的建设过程中，已形成了一整套的成功经验，为该技术在岩土和地质工程安全监测中的推广提供了坚实的技术基础。

光纤铺设

为了使光纤精确地反映被测构筑物的应变状态，必须将之与构筑物紧密相连，铺设在结构物上。铺设的好坏，直接关系到监测的实际效果，因而在工程应用中，有着十分重要的意义。

根据光纤监测系统的设计原则，结合工程实际情况以及AQ8603应力分布式光纤传感器的特点，基本有以下两种铺设方法：全面接着式铺设和定点接着式铺设，如图2所示。

图2全面接着和定点接着

全面接着式铺设

分别沿隧道纵深方向和横断面按全面接着方式布设传感光纤。沿纵深方向布设的传感光纤用于监测隧道纵向的整体变形情况，而沿横断面布设的光纤则是用于监测隧道横向的变形情况。

全面接着式铺设的特点是可以全程监测隧道的健康状况，监测对象为隧道整体，监测结果为隧道整体的变形情况。此种接着方式应用特定的铺设工艺，使用实验测定的效果优良的混合胶粘剂（以环氧树脂为主），将传感光纤按照设计线路粘着在混凝土的表面，并在传感光纤的末段接驳光缆，将监测信号传送至隧道监控中心。

定点接着式铺设

此种接着方式的特点是重点监测变形缝、应力集中区等潜在（或假定）变形处的变形情况。监测对象为变形缝等潜在（或假定）变形处，监测结果为变形缝等潜在（或假定）变形处的应力应变特征。此种接着方式的铺设方法大体等同于全面接着式铺设方式，所不同的是在设计施工面上选择一些特殊点进行粘着，即将光纤每隔1m至确定一个固定点，粘贴在混凝土墙面上，以此来检测隧道局部接缝处的变形（见图3）。在某些特点地点，根据实际情况，选择在特定的线路上在特定的位置安装接缝传感器，以监测变形缝的变形情况（见图4）。

图3隧道接缝布线示意图

变形计算

由于引起隧道变形的原因比较复杂，有温度造成的构筑物热胀冷缩的整体变形，也有不同方向裂缝开裂和错动引起的局部变形，因此，将 BOTDR所测到的隧道的应变转换到变形，有时比较困难。因此比较可行的解决方法一是要合理地布置光纤监测网，分别监测隧道的整体应变和局部应变及其方向，结合变形特点，计算出构筑物的整体变形与局部变形；二是要采用相应的计算方法，将光纤的应变换算为隧道的变形。

图4接缝传感器示意图

例如，对于均匀应变，可以由下式计算变形：

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式中：ε为应变，d为应变段长度，δ为变形。

对于不均匀变形，可以采用按一定间距定点接着的方式铺设光纤，两个粘结点间的应变近似地认为是均匀应变，按上式同样可以得到光纤沿线的不均匀变形。

如果隧道发生整体的不均匀沉降，可以按照挠度的计算方法（见式（3）近似计算它的沉降变形量：

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式中：ε1、ε2分别为铺设在构筑物顶部和底部的两条光纤的应变，d为两条光纤的间距。

此外，结合数值模拟技术也可以实现变形的计算。可以将光纤的应变作为数值计算的边界条件或者已知条件，通过有限元或有限差分等计算方法，得到构筑物不同部位的各种变形。

总之，从隧道的应变转换到变形的计算常常比较复杂，但是只要通过合理地布置光纤监测网，采用正确的计算方法，隧道变形的计算是可以得到满意的结果。

4基坑变形监测

基坑变形监测是岩土工程领域的基本问题之一，基坑稳定性的重要性不言而喻。近半年来，课题组通过大量的室内外试验研究，将 BOTDR技术成功地应用到了南京市的几个深大基坑工程中，取得了一些十分有价值的成果。

众所周知，基坑变形原因复杂、类型繁多，但总体来说，主要是由基坑开挖引起的坑体水平位移问题和基底隆起问题。传统的监测方式，如土压力盒、测斜管等，由于自身传感方式的限制，往往有精度不高、抗腐蚀性差、损耗较大、浪费人力等缺点。课题组通过研究，成功地研制了一种具有专利技术的基于BOTDR技术的基坑位移监测分布式光纤传感系统（分布式光纤传感智能测斜管）。

图5基坑位移监测分布式光纤传感系统

如图5所示，利用传统的测斜管器件与先进的BOTDR技术相结合，开发出上述传感器。应用传统的测斜管器件的目的在于：①经传统方法验证，测斜管能够较理想地反映土体变形，是一种良好的材料；②测斜管自身带有卡槽，免去了人工开槽的工作；③该材料是常用的基坑监测材料，方便易得，比较经济；④应用与传统监测方式一致的材料，方便对新、旧技术进行类比。该系统的构成，简言之是将光纤按照一定的施工工艺，用经室内外试验和工程实践验证过的特殊的胶黏着在测斜管上，构成传感系统，我们称之为分布式光纤传感智能测斜管。该传感器具有分布式光纤传感器的一切优点，并可进行准实时监测。

应用BOTDR技术的分布式光纤传感器所得到的监测结果，是沿光纤传感器的轴向物理信息（应变、温度等），因此，如何获得沿光纤传感器分布的基坑水平变形量，也就成了问题的核心。经过研究，应用计算挠度的方法来近似计算基坑的水平变形量。

由材料力学相关知识可知，沿线各点的挠度可利用下式计算。

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式中：εx为所求点的光纤实测应变，其值为沿测斜管两侧的两条光纤的应变差；d为粘贴在测斜管两侧的光纤之间的距离；积分起点为深部某无应变点，v(x）为各点的挠度，可以近似地认为是基坑的水平变形量。

5连续配筋混凝土路面检测

连续配筋混凝土路面（CRCP）是全部省略接缝的连续混凝土板，是为了减轻因接缝而引起的振动与噪音，或为改善平整度、提高行车舒适性而使用的路面。对于这种高性能的路面结构形式，其钢筋应力状态、混凝土应力状态和路面的裂缝分布是反映该路面使用性能的主要因素[]。将 BOTDR这项优秀的无损检测技术应用于监测 CRCP路面钢筋、混凝土应力和路面裂缝，具有重要意义。

图6为BOTDR分布式光纤传感系统在连续配筋混凝土路面中的布置图。路面纵向钢筋共有11根。在其中9根钢筋上布设了传感光纤，温度补偿光纤4根，应变传感光纤5根，沿中心对称铺设。

图7为浇注混凝土开始5天内BOTDR检测的板表面混凝土应变变化。从图上可以清楚看出沿路面纵向表面混凝土应变分布情况，而且可以根据最大拉应变的位置预测出路面可能产生裂缝的位置。如图中79m处最有可能出现裂缝。

图6光纤传感系统布置

图7板表面混凝土应变分布

图8为浇注混凝土开始5天内 BOTDR检测的钢筋应变变化。从图上可以清楚看出沿路面纵向钢筋应变分布情况。在混凝土硬化这段时间里，钢筋应变不是均匀的，通过连续监测钢筋应变，有助于预测路面的使用性能。

本实验测试结果表明，BOTDR分布式光纤传感系统能够在线对连续配筋混凝土路面板中的钢筋和混凝土应变进行有效的检测。这说明BOTDR在路面板、桥面板及其他一些类似工程中具有良好的适用性及广阔的应用前景。

6结语

分布式光纤传感技术在我国尚处于起步阶段，虽然在隧道、基坑等部分领域取得了一定成功，但仍然有许多研究工作有待进一步开展，这包括两个方面，一是分布式光纤传感监测技术本身的进一步改良；二是要不断地解决在工程监测中的技术问题。可以相信，随着这一技术的不断研发和成熟，越来越多的大型基础工程将采用这一技术进行分布式监控和健康诊断，应用前景十分广阔，无法估量。

图8钢筋应变分布

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这是一篇 的论文，谈论有关 无线传感网络 的，你看下，是否符合你需要，如果类型都不一致，那就没必要翻译了。Mechanisms for energy conservation in wireless sensor networksSupervisor: Maurizio BonuccelliThesis commettee: Paolo Ferraggina, Piero MaestriniExternal referees: Stefano Basagni, Mani SrivastavaNational commettee: Bugliesi, Meo, and Panzieri December 27, 2005 AbstractIn this thesis we address the problem of reducing energy consumption in wireless sensor networks. We propose a suit of techniques andstrategies imported from other research areas that can be applied to design energy-efficient protocols in sensor networks. They includetime series forecasting, quorums systems, and the interaction between sensor properties and protocol design. We apply these techniques to the time synchronization problem, to efficiently collecting data from a sensor network, and to ensuring stronger data consistency guarantees in mobile show in [1,2,3,4] that time series forecasting techniques, and in particular autoregressive (AR) models, can be applied to sensor networks to conserve energy. We study a simple type of time series models with a short prediction window. We have chosen this model because it is capableof predicting data produced by real-world sensors measuring physical phenomena, and it is computationally tractable on modern-generation sensor networks. We apply these models to solve two relevant problems in sensor networks: the problem of efficiently collecting sensor data at the sink, and the time synchronization propose an energy-efficient framework, called SAF Similarity--based Adaptable query Framework [1,2] ), for approximate querying and detecting outlier values in sensor networks. The idea is to combine local AR models built at each node into a global model stored at the root of the network(the sink) that is used to approximately answer user queries. Our approach uses dramatically fewer transmissions than previous approximate approaches by using AR models and organizing the network into clusters based on data similarity between nodes. Our definition of data similarity is based on the coefficients of the local AR models stored at the sink, which reduces energy consumption over techniques that directly compare data values, and allows us to derive an efficient clustering algorithm that is provably optimal in the number of clusters formed by the network. Our clusters have several interesting features that make them suitable also for mobile networks: first, they can capture similarity between nodes that are not geographically adjacent; second, cluster membership adapts at no additional cost; third, nodes within a cluster are not required to track the membership of other nodes in the cluster. Furthermore, SAF provides provably correct error bounds and allows the user to dynamically tune answer quality to answer queries in an energy and resource efficient addition, we apply the AR models to solve the time synchronization problem from a novel perspective which is complementary to the well-studied clock synchronization problem [3,4]. More precisely, we analyze the case in which a sensor node decides to skip one or more clock adjustments to save energy, or it is temporarily isolated, but still requires an accurate estimate of the time. We propose a provably correct clock method based on AR models, which returns a time estimate within a constant (tunable) error bound and error probability. This method is highly adaptable and allows the sensor to decide how manyclock adjustments it can skip while maintaining the same time accuracy, thus saving energy. In addition, we propose a suit of deterministic methods that reduce the time estimation error by at least a factor 2. More precisely, we propose a provably correct deterministic clock reading method, called the DCR method, which exploits information regarding the sign of the clock deviation, and can be applied to reduce by half the frequency of the periodic clock adjustments, while maintaining the same error bound [3,4]. This method is of both practical and theoretical interest. In fact, it leads to a noticeable energy saving, and shows that a stronger but realistic clock model can lead to a refinement of the optimality bound for the maximum deviation of a clock that is periodically synchronized. In addition, we propose a generalized version of the DCR method that enhances its accuracy depending on the clock stability, and a method that guarantees the monotonicity of the time values analyze for the first time quorum system techniques in the context of sensor networks: we redesign them and show their benefits in terms of energy consumption [6]. Quorum systems have the potential to save energy in sensor networks since they can reduce noticeably the amount of communication, improve the load balance among sensor nodes, and enhance the scalability of the system. However, previous quorum systems and quorum metrics, proposed for wired networks, are unsuitable for sensor networks since they do not address their properties and limitations. These observations have motivated us to redesigning quorum systems and their metrics, taking into account the limitations and characteristics of sensors (., transmission costs, limited energysource, physical radio broadcast), and the network topology. More precisely, we redefine the following quorum metrics: load balance, access cost and quorum capacity, and devise some strategies based on some characteristics of sensor networks that reduce the amount of communication when designing quorum systems for sensor networks. We apply these strategies to design a family of energy-efficient quorum systems with high resiliency. In particular, we propose a quorum construction that reduces the quorum access cost, and propose an energy-efficient data diffusion protocol built on top of it that reduces the energy consumption by reducing the amount of transmissions and addition, we analyze quorum systems in case of high node mobility. More precisely, we study the difficult problem of guaranteeing the intersection between two quorums in case nodes move continuously along unknown paths [7]. We address this problem by defining a novel mobility model that provides a minimum set of constraints sufficient to derive strong data guarantees in highly mobile networks. Also in this case, we show the unsuitability of previous quorum systems, and provide a condition which is necessary to guarantee data availability and atomic consistency under high node mobility. We propose a new classof quorum systems, called Mobile Dissemination (MD) quorums, suitable for highly mobile networks, and propose a quorum construction which is optimal with respect to the quorum size (., message transmissions) [7]. Then, we apply the MD quorum system to implement a provably correct atomic read/write shared memory for mobile and sparse [1] D. Tulone, S. Madden. PAQ: Time series forecasting for approximate query answeringin sensor networks. In Proc. of the 3rd European Workshop on Wireless Sensor Networks, pp. 21-37, Feb 2006.[2] D. Tulone, S. Madden. An energy-efficient querying framework in sensor networks for detecting node to conference.[3] D. Tulone. On the feasibility of global time estimation under isolation conditions in wireless sensor appear in Algorithmica.[4] D. Tulone. A resource-efficient time estimation for wireless sensor networks. In Proc. of the 4th Workshop of Principles of Mobile Computing, pp. 52-59, Oct 2004.[5] D. Tulone. How efficiently and accurately can a process get the reference time? Intl. Symp. on Distributed Computing, Oct2003. Brief announcement, pp. 25-32.[6] , E. D. Demaine. Redesigning quorum systems for wireless sensor networks. Submitted to conference.[7] D. Tulone. Is it possible to ensure strong data guarantees in highly mobile networks? Submitted to conference.

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光纤通信光源技术论文篇二 我国光纤通信技术综述 光纤通信的发展依赖于光纤通信技术的进步。近年来,光纤通信技术得到了长足的发展,新技术不断涌现,这大幅提高了通信能力,并使光纤通信的应用范围不断扩大。 1. 我国光纤光缆发展的现状 普通光纤 普通单模光纤是最常用的一种光纤。随着光通信系统的发展,光中继距离和单一波长信道容量增大,光纤的性能还有可能进一步优化,表现在1550rim区的低衰减系数没有得到充分的利用和光纤的最低衰减系数和零色散点不在同一区域。符合规定的截止波长位移单模光纤和符合规定的色散位移单模光纤实现了这样的改进。 核心网光缆 我国已在干线(包括国家干线、省内干线和区内干线)上全面采用光缆,其中多模光纤已被淘汰,全部采用单模光纤,包括光纤和光纤。光纤虽然在我国曾经采用过,但今后不会再发展。光纤因其不能很大幅度地增加光纤系统容量,它在我国的陆地光缆中没有使用过。干线光缆中采用分立的光纤,不采用光纤带。干线光缆主要用于室外,在这些光缆中,曾经使用过的紧套层绞式和骨架式结构,目前已停止使用。 接入网光缆 接入网中的光缆距离短,分支多,分插频繁,为了增加网的容量,通常是增加光纤芯数。特别是在市内管道中,由于管道内径有限,在增加光纤芯数的同时增加光缆的光纤集装密度、减小光缆直径和重量,是很重要的。接入网使用普通单模光纤和低水峰单模光纤。低水峰单模光纤适合于密集波分复用,目前在我国已有少量的使用。 室内光缆 室内光缆往往需要同时用于话音、数据和视频信号的传输。并目还可能用于遥测与传感器。国际电工委员会(IEC)在光缆分类中所指的室内光缆,笔者认为至少应包括局内光缆和综合布线用光缆两大部分。局用光缆布放在中心局或其他电信机房内,布放紧密有序和位置相对固定。综合布线光缆布放在用户端的室内,主要由用户使用,因此对其易损性应比局用光缆有更严格的考虑。 电力线路中的通信光缆 光纤是介电质,光缆也可作成全介质,完全无金属。这样的全介质光缆将是电力系统最理想的通信线路。用于电力线杆路敷设的全介质光缆有两种结构:即全介质自承式(ADSS)结构和用于架空地线上的缠绕式结构。ADSS光缆因其可以单独布放,适应范围广,在当前我国电力输电系统改造中得到了广泛的应用。国内已能生产多种ADSS光缆满足市场需要。但在产品结构和性能方面,例如大志数光缆结构、光缆蠕变和耐电弧性能等方面,还有待进一步完善。ADSS光缆在国内的近期需求量较大,是目前的一种热门产品。 2. 光纤通信技术的发展趋势 对光纤通信而言,超高速度、超大容量和超长距离传输一直是人们追求的目标,而全光网络也是人们不懈追求的梦想。 超大容量、超长距离传输技术波分复用技术极大地提高了光纤传输系统的传输容量,在未来跨海光传输系统中有广阔的应用前景。近年来波分复用系统发展迅猛,目前的WDM系统已经大量商用,同时全光传输距离也在大幅扩展。提高传输容量的另一种途径是采用光时分复用(OTDM)技术,与WDM通过增加单根光纤中传输的信道数来提高其传输容量不同,OTDM技术是通过提高单信道速率来提高传输容量,其实现的单信道最高速率达640Gbit/s。 仅靠OTDM和WDM来提高光通信系统的容量毕竟有限,可以把多个OTDM信号进行波分复用,从而大幅提高传输容量。偏振复用(PDM)技术可以明显减弱相邻信道的相互作用。由于归零(RZ)编码信号在超高速通信系统中占空较小,降低了对色散管理分布的要求,且RZ编码方式对光纤的非线性和偏振模色散(PMD)的适应能力较强,因此现在的超大容量WDM/OTDM通信系统基本上都采用RZ编码传输方式。WDM/OTDM混合传输系统需要解决的关键技术基本上都包括在OTDM和WDM通信系统的关键技术中。 光孤子通信 光孤子是一种特殊的ps数量级的超短光脉冲,由于它在光纤的反常色散区,群速度色散和非线性效应相互平衡,因而经过光纤长距离传输后,波形和速度都保持不变。光孤子通信就是利用光孤子作为载体实现长距离无畸变的通信,在零误码的情况下信息传递可达万里之遥。 光孤子技术未来的前景是:在传输速度方面采用超长距离的高速通信,时域和频域的超短脉冲控制技术以及超短脉冲的产生和应用技术使现行速率10~20Gbit/s提高到100Gbit/s以上;在增大传输距离方面采用重定时、整形、再生技术和减少ASE,光学滤波使传输距离提高到100000km以上;在高性能EDFA方面是获得低噪声高输出EDFA。当然实际的光孤子通信仍然存在许多技术难题,但目前已取得的突破性进展使人们相信,光孤子通信在超长距离、高速、大容量的全光通信中,尤其在海底光通信系统中,有着光明的发展前景。 全光网络 未来的高速通信网将是全光网。全光网是光纤通信技术发展的最高阶段,也是理想阶段。传统的光网络实现了节点间的全光化,但在网络结点处仍采用电器件,限制了目前通信网干线总容量的进一步提高,因此真正的全光网已成为一个非常重要的课题。 全光网络以光节点代替电节点,节点之间也是全光化,信息始终以光的形式进行传输与交换,交换机对用户信息的处理不再按比特进行,而是根据其波长来决定路由。 目前,全光网络的发展仍处于初期阶段,但它已显示出了良好的发展前景。从发展趋势上看,形成一个真正的、以WDM技术与光交换技术为主的光网络层,建立纯粹的全光网络,消除电光瓶颈已成为未来光通信发展的必然趋势,更是未来信息网络的核心,也是通信技术发展的最高级别,更是理想级别。 结语 光通信技术作为信息技术的重要支撑平台,在未来信息社会中将起到重要作用。虽然经历了全球光通信的"冬天"但今后光通信市场仍然将呈现上升趋势。从现代通信的发展趋势来看,光纤通信也将成为未来通信发展的主流。人们期望的真正的全光网络的时代也会在不远的将来如愿到来。 看了“光纤通信光源技术论文”的人还看： 1. 光通信技术论文 2. 光纤技术论文 3. 光纤传感技术论文 4. 光通信技术论文(2) 5. 电力系统光纤通信技术论文