分布式光纤测试技术在光纤光缆生产和敷设中的应用研究

摘要

所谓分布式光纤测试技术是指应用光纤几何上的一维特性进行测试的技术，它把被测物理量作为光纤位置长度的函数，可以在整个光纤长度上对沿光纤几何路径分布的物理参量进行连续的测试。当光信号在光纤中传输时，三种类型的光散射过程将会发生：瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射。利用这三种散射光的特性，以光纤作为媒介,就能够沿光纤敷设的路径连续地对被测物理量进行检测,从而实现针对光纤链路的分布式测试。这种测试技术一方面可用于光纤、光缆生产和敷设过程中的质量监控；另一方面可用于传感，因为光纤可以像神经系统那样渗透到材料、结构内部和特殊的恶劣环境中，使之智能化，在国防和民用工业中都有重要的应用价值。目前，以光时域背向反射技术为基础的分布式光纤测试技术已经在许多工程领域得到了广泛的应用。
　　 本文针对分布式光纤测试技术在光纤、光缆生产和敷设过程中应用展开研究，主要有两个方面：
　　 1.基于瑞利散射理论和菲涅尔反射理论的光时域反射技术；
　　 2.基于布里渊散射理论的布里渊光时域反射技术。
　　 在理论方面，本文首先对瑞利散射和菲涅尔反射的基本概念进行了详细阐述。瑞利背向散射和菲涅尔反射是光时域反射仪（OTDR）的理论基础，OTDR通过检测这些微弱的瑞利散射和菲涅尔反射信号，从而得到光纤线路中点到点的长度、链路损耗、光纤熔接损耗以及接头损耗等。作者结合这些基本概念对OTDR的工作原理及其重要的指标参数进行了研究。其次，本文分析了布里渊散射的基本理论。布里渊散射是由光子和以声速传播的声子间的相互作用产生的。布里渊散射分为自发布里渊散射和受激布里渊散射两种散射过程。这两种散射过程都可以用来作为光纤分布式测试技术。BOTDR（布里渊光时域反射仪）是基于自发布里渊散射理论开发的测试仪器。BOTDR通过检测沿光纤不同位置处自发布里渊散射光的频率迁移，获得与之对应的应变或温度的变化情况。
　　 在上述基本理论的基础上，结合实际应用，本文开展了以下研究工作：
　　 (1)如何利用OTDR测试光纤模场直径，结合光纤模场直径实际测试数据验证了OTDR与可变孔径法测试光纤模场直径的等同度。利用一台通用的OTDR就能完成光纤中多个参数的测试，从而在光纤光缆制造过程中简化了测试流程，同时也大幅度降低了生产测试成本。
　　 (2)针对光缆(光纤)环境试验的要求，自主开发了自动化衰减监测系统。该系统结合了程控光开关,能够自动完成试验全程中光纤附加衰减的测试，一台OTDR可以对多个不同环境试验中的光缆样品进行检测，大幅度提高了测试精度、降低了测试人员的工作量和测试仪器投入成本；该系统还能获取气候试验箱的实时温度信息，为产品在不同温度条件下的性能状态，提供了参考信息。对用OTDR测试光纤熔接损耗中出现的争议点进行剖析，并提出了利用光纤模场直径值推算光纤熔接损耗的方法。
　　 (3)对不同类型光纤的布里渊散射光频谱特征进行了分析，对SBS阈值优化型光纤在布里渊频谱图中存在双特征峰的现象进行了着重的研究，并结合实际测试案例,提出了如何对不同类型光纤，特别是对SBS阈值优化型光纤进行BOTDR测试的方法。
　　 (4)提出了利用BOTDR监测光缆拉力试验中被测光纤的应变分布，并与传统的应力测试仪进行了比对分析。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：英语缩略语表

声明

第一章绪论

第二章 OTDR的工作原理分析

第三章 OTDR在光纤光缆生产和敷设中的新应用

第四章 BOTDR的工作原理分析

第五章 BOTDR在光纤应变测试中的应用

第六章 总结与展望

参考文献

致 谢

攻读学位期间发表过的论文