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新型分布式光纤传感器研究1引言入射光与介质中的微观粒子发生弹性碰撞时将引起瑞利散射，且其散射光具有频率以及在散射点的偏振方向均与入射光相同的特点，因此散射光包含了光纤散射点的偏振信息。基于这个物理规律，1980年，Rogers提出了偏振光时域反射技术(POT-DR)的思想，该技术是在光时域反射计(OTDR)和偏振态调制型光纤传感器的基础上发展起来的一项新技术，其基本原理如图1所示。由激光器发出的脉冲光经过偏振器变成一束线偏振光，再把线偏振光耦合进光纤;当外界环境改变时，光纤中光的偏振态将发生变化。同时，由于光脉冲在光纤中传输时发生瑞利后向散射，因此通过探测器探测后向散射光偏振态的变化，便可以得到光纤中偏振态变化的时间和空间分布。其中偏振器放在A，B的位置均可，若放在A处，则探测器直接检测光偏振态变化的信息;若放在B处，则探测器接收由偏振态引起的光强变化的信息。图1POTDR基本原理同OTDR相比，POTDR要求激光脉冲的相干性很强，而且偏振态调制光纤传感器要求有较高灵敏度的检测装置。自POTDR技术提出后的30年以来，许多研究人员根据研究的需要提出了各种POT-DR的测量方案，例如Ellison等人1998年提出的采用旋转波片和起偏器的偏振敏感的光时域反射技术，MarcWuliPart等人2001年提出的采用旋转起偏器的偏振敏感的光时域反射技术，Sjatalin和Rogers提出采用计算机的偏振敏感的光时域反射技术。尽管所提出的这些结构不同，但其基本原理都是基于偏振态的光纤时域反射技术。目前，国内电子科技大学、北京交通大学等高校对POTDR的机理、信号处理方法与采集、测试准确度等方面做了一定的研究，也取得了一定的成果。利用POTDR技术成功分析了光纤中双折射、拍长、偏振相关损耗后，国外对POTDR的研究目前主要集中在机理和偏振模色散等领域，并利用POTDR对光线的偏振模的研究变得越来越多，也取得了一定的研究成果，但很少有探测方面的实际系统及具体分析报道。2.不同调制原理的POTDR光纤传感器磁场、电场、压力、振动、加速度和温度等物理量都能对在光纤中传播的光的偏振态进行调制。最为典型的偏振态调制效应有电光效应、Faraday效应以及弹光效应。Rogers最早指出了POTDR方法在磁场(通过Faraday效应)、电场(通过Kerr效应)、外部压力(通过弹光效应)和温度(通过弹光效应)等物理量的分布测试中的潜在应用价值。2.1电流传感器在电力系统中，由于计量和继电保护的需要，对高压输电线路中的电流进行实时监测是必须的。与普通电流传感器相比，光纤电流传感器的绝缘性能好体积小，成本低，并且频带宽，响应时间短，可同时用于测量直流、交流及脉冲大电流，因此有望成为在高压情况下测量大电流的理想传感器。基于POTDR的光纤电流传感器是利用磁光材料的Fara-day效应。在光学各向同性的透明介质中，外加磁场可以使在介质中沿磁场方向传播的线偏振光的偏振面发生旋转。根据Faraday效应，将单模光纤以半径R绕在高压载流线圈上，由电流i所形成的频率为w的磁场H=i/(2πR)，会引起在其中的长度为L的光纤中线偏振光的偏振面发生偏转。通过检测偏转角度θ的大小，就可得到相应的磁场值，从而测量出产生该磁场的电流值。在基于Faraday旋光效应调制的POTDR光纤电流传感器中，瑞利后向散射产生的线偏振光偏振面的偏转角度θ可由式(1)确定:(1)其中，V为费尔德常数。基于POTDR的光纤电流传感器的测量原理如图2所示，由激光器发出的光脉冲经显微物镜1耦合到偏振片，变成线偏振光，再经显微物镜2耦合进入单模被测光纤。单模光纤受外界磁场影响，光纤中线偏振光的偏振态将发生改变，同时散射光具有散射点的偏振信息。通过模消除器，分离出后向散射光，由聚焦物镜耦合到探测器，再经信号处理后输出光强为:(2)其中，是一个常数;为磁场的振幅。图2POTDR光纤电流传感器原理基于Faraday效应工作的光纤电流测量系统具有结构简单、测量范围大、灵敏度高、与高压线不接触、可以实现无中断检测、输入输出间绝缘等诸多优点，是现代电流测量研究的热点之一，具有广泛的发展前景。现对于该类型传感器的主要问题是如何消除线形双折射、振动、环境温度等的影响，由于这些问题的复杂性，实用化商品仍很少...