第３１卷，第７期 ２ ０ １ １年７月 光谱学与光谱分析 Ｖｏ１．３１，Ｎｏ．７，ｐｐ１８６２—１８６７ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ａｎｄ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｊｕｌｙ，２０１１ 光纤分布式扰动传感器中瑞利和受激布里渊 散射光谱特性及其影响研究 张春熹，梁 生，冯秀娟，林文台，李 琛，李 勤，钟 翔，李立京 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 １００１９１ 摘要针对光纤分布式扰动传感器长距离应用定位误差增大的问题，研究了传感器长距离光纤中的瑞利 散射和受激布里渊散射的光谱特性及其对系统定位精度的影响。建立了长距离光纤中瑞利和受激布里渊散 射的数学模型，通过仿真研究发现散射光波的杂波干涉和强度噪声会严重降低干涉仪的光学信噪比，从而 导致定位误差。通过实验验证了仿真结果的正确性。研究结论可以为提高长距离应用定位精度提供理论指 导。 关键词光纤分布式扰动传感器；马赫一泽德干涉仪；瑞利散射；受激布里渊散射；定位误差；光谱特性 文献标识码：Ａ ＥＯＩ：１０．３９６４￣．ｉｓｓｎ．１０００－０５９３（２０１１）０７－１８６２—０６ （Ｃ－ＭＺＩ）和逆时针方向ＭＺＩ（ＣＣ－ＭＺＩ）。 中图分类号：ＴＨ７４４．１；ＴＮ２５３ 引 言 光纤分布式扰动传感器（ｆｉｂｅｒ－ｏｐｔｉｃ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｄｉｓｔｕｒｂ— ａｎｃｅ ｓｅｎｓｏｒ，ＦＤＤＳ）￣．够对传感光纤上任意一点的扰动进行 在工程应用中，传感光纤ｎ和ｂ、传导光纤ｃ和ｄ通常布 置于同一光缆中。扰动信号＿厂（￡）作用于Ｐ点时，探测器ＰＤｌ 和Ｐｌｋ接收的来自Ｃ－ＭＺＩ和ＣＣ—ＭＺＩ的干涉光强Ｌ和Ｊｃ 分 别为 探测和定位，可以应用于周界安防、油气管线预警、通信线 路监测以及结构监测［１ ］。长距离光纤中的散射是影响 ＦＤＤＳ长距离应用定位精度的主要因素。一些文献已经报道 了瑞利或受激布里渊散射对光纤放大器【３“］、光纤通信系 统＿５］、光纤激光器［ 、波长转换器［ 、光纤射频信号系统［８］、 光纤气体传感器［９］、光纤陀螺［１０，１１］、光纤温度传感器 ］以及 其他干涉型光纤传感器【】 等光纤光学系统性能的影响，但 对于长距离ＦＤＤＳ中散射影响的研究工作还属空白。 本文针对ＦＤＤＳ长距离应用问题，研究了Ｆ【）Ｉ）Ｓ长距离 Ｊ （￡）一百１ Ｊ ｛１＋ｃｏｓ［Ａｆｏ＋Ｂ（１一Ｋ）ｆ（ｔ—Ｚ＇Ｉ）］）（１） ｋ（￡）一÷Ｊ ｛１＋ｃｏｓ［Ａｇ￣＋Ｂ（１一Ｋ）ｆ（ｔ—ｒ２）］）（２） 其中， 为光源输出光强，△伽为ＭＺＩ臂长差导致的初始相 位差，Ｂ（１一Ｋ） （ — ）和Ｂ（１一Ｋ），（￡一ｒ２）为扰动导致的 相位调制，Ｂ为扰动相位调制灵敏度，Ｋ描述光纤ｎ和６之 间扰动灵敏度的差异，ｃ为真空中的光速， 为光纤纤芯折射 率，Ｌ 和Ｌ 分别是扰动点Ｐ距离Ｃ２和 的长度， 为 传感和传导光纤中的瑞利和受激布里渊散射对系统定位精度 的影响，从而为改善长距离定位精度提供理论指导。 ｃ。至ＰＤｌ间光纤的长度，时延 一 ｛生 和 一Ｌ．Ａ ｔ 。由 式（１）和（２）所示，干涉信号Ｉ 和Ｊ 为时域相关信号，存在 与扰动位置有关的时延ｒ 和ｒ２，则Ｊ 和Ｊｃｃ之间的时延差 为 －Ｌ１ △ｒ—ｒ】一ｒ２一—Ｌｚ－ｋＬａ－—１光纤分布式扰动传感器原理 ＦＤＤＳ的原理结构如图１所示，系统光路包括窄线宽激 光光源，２×２光纤耦合器（Ｃｏｕｐｌｅｒ）Ｃ ，Ｃ２和Ｃ３，光电探测 一 （３） Ｃ Ｃ 其中，Ｌ＝Ｌ ＋Ｌ２＋Ｌ。＝２Ｌ ，Ｌ Ｉ为监测距离。计算Ｊ 和 ｋ的互相关函数Ｒ（Ｊ ，ｋ），根据Ｒ（Ｊ ，Ｉ ）的极值对应的时 延可以确定△ｒ，通过下式可以实现对扰动的定位 Ｌ】一—Ｌ．器（Ｐｈｏｔｏ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ，ＰＤ）ＰＥｈ和ＰＤ２，传感光纤ｎ，ｂ以及传 导光纤Ｃ，ｄ。系统光路是一个Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ干涉仪（ＭＺＩ）， 激光光波从两个方向同时入射，分别构成了顺时针方向ＭＺＩ 收稿日期：２０１０—０７—０８。修订日期：２０１０一ｌ１一Ｏ３ ｃＡｒ／ｎ （４） 基金项目：北京航空航天大学博士研究生创新基金项目资助 作者简介：梁生，１９８１年生，北京航空航天大学博士研究生 ｅ－ｍａｉｌ：ｚｃｈｕｎｘｉ＠ｈｏｔｍａｉｌ．ｃｏｎｌ 第７期 光谱学与光谱分析 １８６３ …………………一一 Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ＦＤＤＳ ａｎｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ ｏｆ ＲＢ ａｎｄ ＤＲＢ 传感光纤“和ｂ巾，顺时针方向与ＰＷ ｆ涉的ＲＢ的光强分 ２瑞利散射影响 光纤中折射率分布的微观不均匀性会导致瑞利散射 ｊ。 在ＦＤＤＳ长距离光纤中，需要考虑信号光波（ｐｒｉｍａｒｙ ｗａｖｅ， ＰＷ）、一阶瑞利后向散射光波（ｒａｙｌｅｉｇｈ ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ，ＲＢ） 和二阶瑞利后向散射光波（ｄｏｕｂｌｅ ｒａｙｌｅｉｇｈ ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ， ＤＲＢ）。 别为 Ｊ【 Ｒｌ｛（ ）一，∞（￡）ｄ ＳＥ１一ｅｘｐ（——ｄ－ ）］／２口 ｊ （ Ｒｌ｛（￡）＝ｆ∞（ｚ）口 ｓＥ１一ｅｘｐ（－－０Ｌ ）３／２ａ （７） （８） 其中，８—０．２５ ｄＢ或０．０５８ Ｎｐ・ｋｍ‘ 为单模光纤衰减系 数ｌ１ 。， 为散射导致的光纤衰减系数，在单模光纤中，有：ａ ≈ａ 。Ｓ一１．５×１０。为再新捕捉因子。 （ｆ）为Ｃ。处的入射 信号光强，则 Ｊ∞（ｆ）一 ０（ｆ）ｅｘｐ（ … １）／４ （９） 在顺时针和逆时针方向，分别有ＰＷ，ＲＢ和ＤＲＢ到达 探测器ＰＤ１和Ｐ 。以Ｐｒ）ｌ为例，到达ＰＤ 的光波电场复振 幅为 Ｅ。 一点 ｗ＋Ｅ ＋Ｅｌ籼＋Ｅ Ｐｗ＋Ｅ Ｒｎ＋Ｅ ｒ （５） 其中．凡（ｆ）为激光光源输出光强。经过ｃ｛后，通过传导光 纤 传输Ｌ… 距离，最终到达ＰＤｌ的ＲＪ３光强为 ＪｃＲｎ（￡）一生 口 Ｓｅｘｐ（一２也 Ｉ）［１一ｅｘｐ（一ａＬ ）］／ （ｉ０） 其中，Ｅｐｗ， 表示为 ，ＥＲＢ，Ｅ Ｒ１｛，Ｅｒ，ｅａ｛和 ＩⅫ 分别为ＭＺＩ两臂 光纤ａ和ｂ的Ｐｗ，ＲＢ和ＤＲＢ的复振幅，则１ｔ涉光强可以 ｊ 一Ｅ ＩＥ 一ｊｓ＋ （６） Ｊ 【、ＲＨ（ ）一 — ａ Ｓｅｘｐ（一２ ， １）［１一ｅｘｐ（一口Ｌ ）］／４ｄ （１１） 其中，，ｓ和 分别表示＝ｆ：涉光强中的信号项和噪声项。信 号项为Ｐｗ之问的干涉光强，ＲＢ和ＤＲＢ之问及其与ＰＷ之 间的干涉导致ｒ噪声项Ｊ 。 ２．１顺时针方向ＭＺＩ中的瑞利散射 与ＲＢ不同的是，整个光路中ＤＲＢ与相同传播方向的 Ｐｗ在光秤差小于Ｌ 的范围内均能发生干涉。为ｒ计算 ＤＲＢ ｊ ＰＷ的于涉光强，将光纤分为Ｎ段，每段光纤长度 为Ｌ 一Ｌ／２，认为每段光纤中的ＤＲＢ可以与Ｐｗ完全干涉， 小在同一段中的ＤＲＢ与ＰＷ完全不干涉。将总长度为２Ｌ 的光纤分为Ｎ＝２Ｌ １／（Ｌ ／２）＝４Ｌ ／Ｌ 段。第，２段光纤中 ＲＢ的光强为 在Ｃ－ＭＺＩ中，只需要考虑ＰＷ和ＲＢ以及ＰＷ和ＤＲＢ 之间的干涉光强。忽略ＰＷ，ＲＢ和ＤＲＢ在单模光纤中偏振 态变化的影响＿ 。如图１所示，则在光纤长度Ｌ大于激光光 １源相干长度Ｌ 的情况下，只有光程差为０的空间伯霞（Ｃ。） 前后（～Ｌ ／２，Ｌ ／２）范周内的ＲＢ与Ｐｗ之问发ｑ三干涉。在 Ｊ Ｋ】 （＂）一Ｌｏ（”）ｄ ｓＥ１——ｅｘｐ（——２。 ）］／２口 （１２） 其【１ｌ， —Ｊ。ｅｘｐ［－－ａ（ｎ一１）／Ｌ ］／４为第 段光纤的入射信 １８６４ 光谱学与光谱分析 第 段光纤ａ和ｂ中ＲＢ的光强分别为 第３ｌ卷 号光强。则第 段光纤中ＤＲＢ的光强为 ＩｍＢ（ｎ）一 （ｎ）口 ｓ ［１一ｅｘｐ（一２ａＬ ）］ ／（２ａ） （１３） 到达探测器ＰＤｌ处的ＤＲＢ的光强分别为 ｆ。ＲＢ（￡）一 １ｏ口 Ｓ２ｅｘｐ（一２ａＬ，ｏ￣）Ｅ１一ｅｘｐ（一２ａＬ ）］ ／（２ａ）。 ＪＫＢ＿ （ ）一 （ ）口 ｓ［１一ｅｘｐ（２ａＬ ）］／２ａ ＩｔＲＢ￣ｔ（ ）一Ｊ （ ）ａ ｓＥ１一ｅｘｐ（２ａＬ ）］／２ａ 为 （１８） （１９） 第 段光纤ａ和ｂ中最终经过 到达ＰＤ２的光强分别 （１４） Ｉ＇ｍＢ（ｔ）一粤ａ：Ｓｚｅｘｐ（－２ａＬ ｔａ１）［１一ｅｘｐ（－２ａＬ ）］ ／（２口） （１５） ａｄｄ（ ）＝ｏ．５鲁口 ｓｅｘｐ（一２ａｎＬ ）［１一ｅｘｐ（－２ａＬ ）］／２口 （２０） 其中， （ｎ）和￣ＯｔＤＲＢ（ ）为随机变量，描述ＤＲＢ光波相位 Ｊ ＲＢ＿ （ ）一０．５鲁口 ｓｅｘｐ（－２ｏｎＬ ）［１－ｅｘｐ（一２也 ）］／２ａ （２１） 的随机变化。最终，ＤＲＢ与ＰＷ的干涉项可以表示为 ２ Ｎ ｃｏｓ（卿一 ）一 第ｎ段光纤ａ和ｂ中的ＲＢ之间发生干涉，最终导致的 噪声项为 ２∑￣／—ＩｃＰｗＩＣ—ＤＲＢ（ｎ）ｃｏｓ［ 一 ＤＲＢ（ ）］（１６ａ） ｎ＝Ｉ ｅｃＩ 一２￣／ ｉ Ｎ ｃｏｓ［仇ｘ： ｓ 一 ２． ｆ ｃｏｓ（卿一 ｃ－砌）一 ｃｃ ａ ］一２∑ Ｉｏ ３ ｄｄ（ｎ）ｆ ＣｃＲ１｛ （，ｚ）・ ｃｏｓＥｑａ：ｃ￣＿ ｄｄ（以）一 ｃ【＝ＲＢ＿ （ ）］ （２２） ２∑ ｃｏｓ［卿一 一（ｎ）］（１６ｂ） 一 一）一 ２／７ 『７ ｃｏｓ（ ２Ｅ￣／—Ｉ＇ｃｅｗＩ＇—ｃｍＢ（ｎ）ｃｏｓ［ ｃ 一 ２￣／Ｊ∞ＲＨＪ ｃ ｃ０ｓ（卿Ｎ （ ）］（１６ｃ） ３受激布里渊散射影响 光纤中入射光功率超过受激布里渊散射阈值功率Ｐ 时 会发生受激布里渊散射（ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ， ＳＢＳ）＿１ 。 。在实际应用中，光路输出至ＰＤ的信号光功率不 能低于某～数值，即最小探测光功率 小值 可以表示为 Ｉｏ一２Ｊ ｅｘｐ（２缸，。 ） （２３） 一 （ ）一 ２ ：；ｊ ｃｏｓ［ （ ）一 ］（１６ｄ） ２．２逆时针方向ＭＺＩ中的瑞利散射 。Ｉ…由电路系统的 在ＣＣ－ＭＺＩ中，与ＰＷ发生干涉的ＲＢ的分布与Ｃ－ＭＺＩ 相似，只是ＲＢ与ＰＷ发生干涉的有效区域长度变为Ｌ （如 图１）。ＣＣ－ＭＺＩ中与ＰＷ发生干涉的ＤＲＢ分布与Ｃ－ＭＺＩ相 同，这里不再赘述。 信噪比决定，通常约为１～５ ｗ。则激光光源输出光功率最 相应地，传导光纤Ｃ和传感光纤ａ和ｂ中入射光功率的 最小值可以分别表示为 Ｊｆ ｉｎ—Ｉｏ／２一Ｊ ｅｘｐ（２ａＬ ｔａ１） Ｉｏ～一ｊ ：ｌｏ／４＝Ｉｍｉｎｅｘｐ（２ａＬ。。 ／２） （２４ａ） （２４ｂ） 与Ｃ－ＭＺＩ不同的是，在ＣＣ－ＭＺＩ中，传感光纤ａ和ｂ中 ＲＢ之间的干涉光强不能忽略。图１中Ｃ２至Ｌ ｔａｌ—Ｌ ／２处， 光纤ａ和ｂ中的ＲＢ之间发生干涉。将传感光纤ｎ和ｂ从Ｃ２ 至Ｌ ｌ—Ｌ ／２长度分为～段，每段长度为Ｌ 一Ｌ ，则Ｎ一 （Ｌ 一Ｌ ／２）／Ｌ 。第 段光纤中的输入光强为 （ ）一Ｉｏｅｘｐ［一ａ（ｎ一１） Ｉ／４ ＣＣ．ＰＷ ＣＣ—Ｓｔｏｋｅｓ 假设 一２“Ｗ，Ｉａｍｉｎ，ｈ ｒｒｉｆｎ和Ｌｍｌｎ随监测距离增加增 大，而Ｐ 则随监测距离增加减小，当监测距离分别超过约 （１７） ６８和６５ ｋｒｎ时，将会在传感光纤ｎ和ｂ以及传导光纤ｃ中发 Ｆｉｇ．２ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔｏｋｅｓｗａｖｅｉｎＦＤＤＳ 第７期 光谱学与光谱分析 １８６５ 生ＳＢＳ。传导光纤ｆ巾首先发生ＳＢＳ时，ＣＣ－ＭＺＩ的ＰＷ由 开始出现定位误差；同时考虑ＲＢ、ＤＲＢ和ＳＢＳ时，在监测 距离为６５ ｋｍ时，开始出现定位误差，最大定位误差约为２Ｏ 于ＳＢＳ导致严重衰减，此时为了保证探测器接收ＰＷ的最小 光功率，需要提高入射光功率以补偿ＳＢＳ导致的衰减。补偿 后的入射功率为：ｆ 。一１０／（１一 ）。其中，ａ 是ＳＢＳ导致的 近似线性衰减系数。 ｋｍ。为了描述ＭＺＩ干涉信号中信号与噪声幅值的关系，定 义光学信噪［：ｔ（ｏｐｔｉｃａｌ ｓｉｇｎａｌ—ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ，ＯＳＮＲ）为 （）ＳＮＲ一１０１ｇ（ｊｓ／ｉＮ） （２８） 补偿入射光功率后，导致监测距离为６５ ｋｍ时传感光纤 ａ和ｂ巾发生ＳＢＳ。如图２所示，传感光纤ａ和ｂ发生ＳＢＳ时 通过计算Ｃ—ＭＺＩ和ＣＣ—ＭＺＩ的ＯＳＮＲ，可以发现，ＣＣ－ ＭＺＩ中光纤ｎ和ｂ中ＲＢ之问的１二涉和ＳＢＳ发生时Ｓｔｏｋｅｓ光 产生的Ｓｔｏｋｅｓ光波沿逆时针方向经过 进入ＰＩ）！。ＰＤｌ和 ＰＤ２接收到的信号光波时戒平均光强分别为 ｒ， ＜Ｊ ）一 ｉ ０ｅｘｐ（－－２ａＬ一口Ｂ） （２５ａ） ‘ ｒ， ＜ＩｐＤ２）一 ｉ ｏ ｅｘｐ（－－２ａＬ一口Ｂ）（２５ｂ） ６ 考虑到实际入射光功率比较接近Ｐ 小于ＳＢＳ饱和光 功率，ＳＢＳ产生的Ｓｔｏｋｅｓ光波光强的时间平均值可以通过近 似的线性模型得到 ＜ ）一（ｆ。一Ｐｌｈ） Ｉ｛ （２６） 其中， 为发生ＳＢＳ光纤的入射光强，ｋ 为近似线性斜率， 可以通过实验标定得到。传感光纤ａ和ｂ中的Ｓｔｏｋｅｓ光波在 发牛Ｆ涉。受激布 渊散射中的Ｓｔｏｋｅｓ光波的线宽为２Ｏ ～１００ ＭＨｚ 其相干性远低于ＰＷ，在光纤ｎ和方中，忽略 Ｓｔｏｋｅｓ光波与ＰＷ之问的光学拍作用，只考虑光强叠加。 ＳＢＳ发生时，进入ＰＩ＝）２的光强』ｚ（￡）可以表示为 Ｉ２（￡）一ｊ （￡）＋Ｉ（ｒ Ｒｔ （￡）＋Ｉｃｙ】）Ｋｌｊ（ｔ）＋ｆｌｎＩ（ ）＋ｊｌ｝Ａ（，） 斗 （ｆ）＋２ｙＩ （ｒ”）ｖ／ｆＨＡ（￡）ｆ Ｂ（￡）ｃｏｓ［△ｍ （ｆ）］（２７） 其中， Ｐ、ｖ（ｆ）， ．ＲＢ（ｆ），Ｊ ｘ、啪ｊ（ｆ）和，ｌｎ （￡）分别为逆时针 方向的Ｐｗ光强，ＲＢ光强，ＤＲＢ光强及以上各项之问的于 涉光强。“ （￡）和ｈ （ ）分别为传感光纤ｎ和ｂ中的Ｓｔｏｋｅｓ 光强，Ｍ （ ）为Ｓｔｏｋｅｓ光波的相干函数，ｒｎ为光纤ｎ和６中 Ｓｔｏｋｅｓ光波之间的时延差，由△Ｌ决定，△ （ｆ）为Ｓｔｏｋｅｓ光 波之间的相位差。Ｓｔｏｋｅｓ光波的光强 （ｆ）和Ｉ （ｆ）的时间 平均值叮通过式（２６）得到，其瞬时值需要考虑Ｓｔｏｋｅｓ光波的 强度噪声］１ ７，１８ 。自发布里渊散射的随机性会导致Ｓｔｏｋｅｓ光 波光强随机起伏。因此，ＳＢＳ对系统的影响体现在以下三个 方面：（１）发生ＳＢＳ时，会导致ＰＷ严重衰减；（２）在传感光 纤“和ｂ ｒＩ１ ＳＢＳ产ｑ二的Ｓｔｏｋｅｓ光波之问会发生杂波干涉； （３）Ｓｔｏｋｅｓ光波光强随时间起伏，即强度噪声。 ４数值仿真与讨论 通过Ｍａｔｌａｂ对Ｆ【）ＤＳ长距离光纤中的ＲＢ、ＤＲＢ以及 ＳＢＳ导致定位误差的机理进行数值仿真研究。数值仿真涉及 的参数如下：激光光源线宽Ａｖ＝２５ ｋＨｚ，Ｉ～一２ ｗ，△Ｌ一 ５ ｍ，Ｓｔｏｋｅｓ光波线宽△ ｛一３５ ＭＨｚ。 由于噪声作用的统计特性，在一定条件下，定位误差发 生随机波动。通常取同一条件下多个定位误差的最大值，即 最大定位误差作为评价系统定位精度的技术指标。监测距离 在５Ｏ～１００ ｋｍ范围内变化时最大定位误差的数值仿真结果 如图３所示，其中，对应每一个监测距离重复计算１００次。 在图３ Ｉｆ】，仅考虑ＲＢ和ＤＲＢ时，在监测距离为９５ ｋｍ时， 波之问的＿ｆ涉及其强度噪声是导致定位误差的关键因素。 ＲＢ之 Ⅱ的ｆ涉以及Ｓｔｏｋｅｓ光波之问的干涉及其强度噪声导 致ＣＣ－ＭＺＩ的ＯＳＮＲ降低，当ＯＳＮＲ小于约一１０ ｄＢ时，定 位算法中的互相关函数出现多个随机峰值，导致最大定位误 差约为２Ｏ ｋｍ。 ｌ ２０ ；１５ ＝ ｌ １０ ５ 主０５ Ｏ ６Ｏ ７Ｏ ８Ｏ ９０ ｌ００ Ｍｏｎｉｔｏｒｅｄ ｌｅｎｇｔｈ／ｋｉｎ Ｆｉｇ．３ Ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｍａｘｉｍａｌ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｅｒｒｏｒｓ ａｎｄ ｍｏｎｉｔｏｒｅｄ ｌｅｎｇｔｈ ５实验与讨论 为了验征数值仿真结论的正确性，通过ＦＤＤＳ样机进行 实验验证。分别对３０￣７５ ｋｍ监测距离情况进行定位误差 测试，相同监测距离测试１００次，最大定位误差与监测距离 的关系见图４。其中，监测距离小于６５ ｋｍ时，最大定位误 差小于１００ １１１；监测距离大于６５ ｋｍ时，最大定位误差约为 ３０ ｋｍ。图５给出＿『监测距离分别为６Ｏ ｋｍ和７５ ｋｍ时０２ ＭＺＩ的散射光波光谱，可以发现，监测距离为７５ ｋｍ时，同 时发生受激布里渊散射和瑞利散射；监测距离为６０ ｋｍ时， 仅有瑞利散射发生。实验与理论分析及数值仿真基本一致。 其中，监测距离小于６５ ｋｍ时产生的定位误差可认为主要来 自电路噪声和偏振衰落的影响。 ３Ｏ ２Ｏ ｌＯ ６结论 本文对ＦＤＤＳ长距离光纤中瑞利散射和受激布里渊散射 们 ０毫。１８６６ 光谱学与光谱分析 Ｏ 第３１卷 日ｐ ≥ｏｄ日。 一目日ｏＺ 一 一 一一 一 一 一 —ｌＯ ０加 如∞∞∞加 －２０ ３０ －－４０ ５０ －１ ５５０ １ ５５０．２ １ ５５０．４ １ ５５０．６ ｌ ５５０．８ １ ５５ｌ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ／ｎｍ １ ５５０ １ ５５０．２ Ｉ ５５０．４ １ ５５０．６ ｌ ５５０．８ ｌ ５５Ｉ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ／ｎｍ Ｆｉｇ．５ Ｓｐｅｃｔｒｕｍｓ ｏｆ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ 对系统定位精度的影响进行了理论和实验研究。仿真研究发 现传感光纤中的瑞利散射和受激布里渊散射导致ＣＣ＿ＭＺＩ的 通过实验验证了理论分析和数值仿真结论的正确性。本文的 研究结论可以为提高ＦＤＤＳ长距离应用的定位精度提供理论 指导。 ＯＳＮＲ降低，当ＯＳＮＲ小于约－－１０ ｄＢ时，会导致定位误差。 Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ ｍ— ／】ｕ≥ｏ口勺 Ｎ 时昌ｌ０Ｚ ［１］ ＳＵＮ Ｑｉ—ｚｈｅｎ，ＬＩＵ Ｄｅ－ｒｕｉｎｇ，ＷＡＮＧ Ｊｉａｎ（孙琪真，刘德明，王健）．Ａｃｔａ Ｐｈｙｓｉｃａ Ｓｉｎｉｃａ（物理学报），２００７，５６（１０）：５９０３ ． ａｎｇ Ｓｈｅｎｇ，Ｚｈａｎｇ Ｃｈｕｎｘｉ，Ｌｉｎ Ｗｅｎｔａｉ，ｅｔ ａ１．Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，２００９，３４（１２）：１８５８［２］ Ｌｉ［３］ Ｚｈａｎｇ Ｗ，Ｐｅｎｇ Ｊ，Ｌｉｕ Ｘ，ｅｔ ａ１．Ｏｐｔｉｃｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２００１，１９９：２３１． ［４］ Ｗｉｌｌｅｍｓ Ｆ Ｗ，ｖａｎ ｄｅｒ Ｐｌａａｔｓ Ｊ Ｃ，ＤｉＧｉｏｖａｎｎｉ Ｄ Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，１９９４，３０（８）：６４５ Ｇｕｏ－ｑｉａｎｇ，Ｇｕｏ Ｐａｎ，ｅｔ ａ１．Ｐｒｏｃ．ｏｆ ２００９ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｆｏｒｕｍ ｏｎ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．２０９ ［５］ Ｗａｎｇ Ｙａｎ－ｈｏｎｇ，Ｎｉｏｃｈｅ Ｍ，Ｇｉｌｌｅｓ Ｈ，Ｇｉｒａｒｄ Ｓ Ｏｐｔｉｃｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２００８，２８１：２２４３． ［６］ Ｌａｒ Ｈａｓｅｇａｗａ，Ｈｉｒｏｍｕ Ｔｏｂａ．ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，１９９５，７（３）：３２７． ［７］ Ｋｙｏ Ｉｎｏｕｅ，Ｔａｋａｓｉ［８］ Ｚｈａｎｇ Ｓ Ｉ ，Ｏ’Ｒｅｉｌｌｙ Ｊ Ｊ．ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，１９９７，９（３）：３９５． ［９］ Ｊｉｎ Ｗ，Ｄｅｍｏｋａｎ Ｍ Ｓ，Ｓｔｅｗａｒｔ Ｇ，ｅｔ ａ１．Ｐｒｏｃ．ｏｆ ＳＰＩＥ，１９９７，３１０５：２６６． ［１ｏ］ Ｂｕｍｓ Ｗ Ｋ，Ｍｏｅｌｌｅｒ Ｒ Ｐ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｌ９８３，ＬＴ＿１（２）：３８１． ｎｔｏｓｈ，Ｂｒｉａｎ Ｃｕｌｓｈａｗ．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９８９，７（９）：１３２３． ［１１］ Ｊａｍｅｓ Ｍ Ｍａｃｋｉ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００６，１７：１０６５． ［１２］ Ｋ Ｄｅ Ｓｏｕｚａ．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｉｄｇｅ Ａ，Ｋｉｒｋｅｎｄａｌｌ Ｃ Ｋ．ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，２００３，１５（１１）：１５８２． ［１３］ Ｃｒａｎｃｈ Ｇ Ａ，Ｄａｎｄｆｅｙ．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｃｏ［１４］ Ｐｅｔｅｒ Ｈｅａｌｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，１９８７，Ｃｏｍ－３５（２）：２１０． ［１５］ Ｍ Ｏｓｋａｒ ｖａｎ Ｄｅｖｅｎｔｅｒ．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９３，１１（１２）：１８９５． ｅｘａｎｄｅｒ Ｌ Ｇａｅｔａ，Ｒｏｂｅｒｔ Ｗ Ｂｏｙ＆［１６］ ＡｌＰｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ａ，１９９１，４４（５）：３２０５． ｔｚ Ｎ Ｉ，Ｃｈｒａｐｌｙｖｙ Ａ Ｒ，Ｔｋａｃｈ Ｒ Ｗ，ｅｔ ａ１．ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，１９９７，９（１）：１２４． ［１７］ Ｈｏｒｏｗｉ［１８］ Ｏｉｕｐｓｊｏｂａｃｋａ，Ｊａｃｏｂｓｅｎ Ｇ，Ｔｒｏｍｂｏｒｇ Ｂ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｉ ｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０００，１８（３）：４１６． Ｓｐｅｃｔｒａ ａｎｄ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｏｆ Ｒａｙｌｅｉｇｈ ａｎｄ Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｉｎ Ｆｉｂｅｒ—Ｏｐｔｉｃ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ Ｓｅｎｓｏｒ ＺＨＡＮＧ Ｃｈｕｎ－ｘｉ，ＬＩＡＮＧ Ｓｈｅｎｇ，ＦＥＮＧ Ｘｉｕ－ｊｕａｎ，ＬＩＮ Ｗｅｎ－ｔａｉ，ＬＩ Ｃｈｅｎ，ＬＩ Ｑｉｎ，ＺＨＯＮＧ Ｘｉａｎｇ，ＬＩ Ｌｉ－ｊｉｎｇ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｃｉＳｅｎｃｅ ａｎｄ Ｏｐｔｏ－Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｈａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１９１，Ｃｈｉｎａ Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｓｐｅｃｔｒａ ａｎｄ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｏｆ Ｒａｙｌｅｉｇｈ ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ（ＲＢ）ａｎｄ ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ（ＳＢＳ）ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｂｅｒ－ｏｐｔｉｃ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ ｓｅｎｓｏｒ（ＦＤＤＳ）ｗｅｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ ＲＢ，ｄｏｕｂｌｅ ＲＢ（ＤＲＢ）ａｎｄ ＳＢＳ ｉｎ ｌｏｎｇ ｆｉｂｅｒｓ ｗｅｒｅ ｅｓｔａｂ— ｌｉｓｈｅｄ．Ｂｙ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｉｔ ｗａｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｉｇｎａｌ－ｔｏ－ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ ｉｓ ｅｘｔｒａｏｒｄｉｎａｒｉｌｙ ｒｅｄｕｃｅｄ ｄｕｅ ｔｏ ＳＢＳ ａｎｄ ＲＢ， ｗｈｉｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｅｒｒｏｒｓ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｅｒｅ ｃｏｎｆｉｒｍｅｄ ｂｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｈｅｌｐｆｕｌ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｆｏｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｗｉｔｈ ｌｏｎｇ ｍｏｎｉｔｏｒｅｄ ｌｅｎｇｔｈ． 第７期 光谱学与光谱分析 １８６７ 国际光谱会议预告 Ｊａｎｕａｒｙ ２０１１ １７—２１ ＩＦＰＡＣ ２０１０ ２５ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｆｏｒｕｍ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ。Ｂａｌｔｉｍｏｒｅ，ＭＤ Ｃｏｎｔａｃｔ：Ｅ－ｍａｉｌ：ｉｎｆｏ＠ｉｆｐａｃｎｅｔ．ｏｒｇ Ｗｅｈｓｉｔｅ ｈｔｔｐ ｆ ｆ ．ｉｆｐａｃｐａｔ．ｏｒｇ／ Ｍａｒｃｈ ２０１１ １３一ｌ８ Ｐｉｔｔｃｏｎ ２０１１．Ａｔｌａｎｔａ．ＧＡ Ｃｏｎｔａｃｔ：Ｅ—ｍａｉｌ：ｉｎｆｏ＠ｐｉｔｔｃｏｎ．ｏｒｇ Ｗｅｂｓｉｔｅｔ ｈｔｔｐ ｜ｆ ７、 ．ｐｉｔｔｃｏｎ．ｏｒｇ／ ２７ ３ｌ ２４１ｓｔ ＡＣＳ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｍｅｅｔｉｎｇ＆Ｅｘｐｏｓｉｔｉｏｎ．Ａｎａｈｅｉｍ，ＣＡ ｏｎｔＣａｃｔ：Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｅｌｐ＠ａｃｓ．ｏｒｇ Ｗｅｂｓｉｔｅ：ｈｔｔｐ：／／ｐｏｒｔａ１．ａｃｓ．ｏｒｇ／ Ｍａｙ ２０１１ ７—１３ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｉｎ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ：１９ｔｈ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｍｅｅｔｉｎｇ＆ Ｅｘｈｉｂｉｔｉｏｎ，Ｍｏｎｔｒｅａｌ，Ｑｕｅｂｅｃ， Ｃａｎａｄａ Ｃｏｎｔａｃｔ：ＩＳＭＲＭ／ＳＭＲＴ Ｃｅｎｔｒａｌ Ｏｆｆｉｃｅ， ２０３０ Ａｄｄｉｓｏｎ Ｓｔｒｅｅｔ，７ｔｈ Ｆｌｏｏｒ，Ｂｅｒｋｅｌｅｙ，ＣＡ ９４７０４，Ｐｈ：５１０ ８４１ １８９９ Ｆａｘ：５１０ ８４ｌ ２３４０ Ｗｅｂｓｉｔｅ ｈｔｔｐ ｜｛ ．ｉｓｍｒｍ．ｏｒｇ／ｍｅｅｔｉｎｇｓ／ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍｌ；Ｅ－ｍａｉｌ ｉｎｆｏ＠ｉｓｍｒｍ．ｏｒｇ １３—２Ｏ １５ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｎｅａｒ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ（ＩＣＮＲＳ）．Ｃａｐｅ Ｔｏｗｎ．Ｓｏｕｔｈ Ａｆｒｉｃａ Ｃｏｎｔａｃｔ：Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｃｈａｉｒ Ｍａｒｅｎａ Ｍａｎｌｅｙ，Ｓｔｅｌｌｅｎｂｏｓｃｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ａｔ：ｍａｒｅｎａ＠ｎｉｒ２０１１．ｏｒｇ； Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｏｒｇａｎｉｚｅｒ Ｄｅｉｄｒｅ Ｃｌｏｅｔｅ，Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅｓ ｅｔ ａｌ，ａｔ ｄｅｉｄｒｅ＠ｎｉｒ２０１１．ｏｒｇ Ｐｈ＋２７（０）２ｌ ９６３ ２２ｌ５ Ｆａｘ：＋２７（０）２１ ９６３ ２２１５ Ｗｅｈｓｉｔｅ：ｈｔｔｐ．／／ｗｗＷ．ｎｉｔ２０１１．ｏｒｇ／