光纖傳感原理與應用

第1章 光纖技術基礎 1
1.1 光纖的結(jié)構與分類 1
1.1.1 光纖的結(jié)構 1
1.1.2 光纖的分類 2
1.2 光纖的導光原理 4
1.2.1 光在介質(zhì)分界面上的全反射 5
1.2.2 光線在光纖中的傳播 5
1.2.3 光波在光纖中的傳播 9
1.3 光纖的損耗特性 12
1.3.1 光纖的損耗系數(shù) 13
1.3.2 吸收損耗 13
1.3.3 散射損耗 14
1.3.4 輻射損耗 15
1.4 光纖的色散特性 15
1.4.1 時延差和色散系數(shù) 16
1.4.2 材料色散和波導色散 17
1.4.3 模間色散 18
1.4.4 光纖的傳輸帶寬 19
1.5 光纖的偏振特性與雙折射效應 21
1.5.1 單模光纖的理想偏振特性與雙折射效應 21
1.5.2 保偏光纖的理想偏振特性與雙折射效應 22
1.5.3 純單模光纖的雙模態(tài) 22
1.6 光纖的非線性特性 23
1.6.1 非線性折射 24
1.6.2 受激非彈性散射 25
1.6.3 參量過程與四波混頻 27
1.6.4 光學孤子 28
1.7 光纜基礎知識 29
1.7.1 光纜結(jié)構的基本要求 29
1.7.2 光纜按結(jié)構分類 30
1.7.3 光纜的其他類型 30
1.7.4 光纜的型號 32
課后習題 34
參考文獻 34
第2章 光學效應 35
2.1 光學多普勒效應 35
2.2 聲光效應 36
2.3 磁光效應 37
2.3.1 法拉第效應 37
2.3.2 克爾磁光效應 38
2.3.3 磁光效應的應用 39
2.4 電光效應 40
2.4.1 泡克耳斯效應 41
2.4.2 基于電光效應的光纖電壓傳感技術 42
2.4.3 一種基于電光效應的光纖電壓傳感器 46
2.5 彈光效應 46
2.6 薩尼亞克效應 47
2.6.1 圓形光軌道的情況 47
2.6.2 任意形狀光軌道的情況 48
2.6.3 光纖陀螺的原理 50
2.7 光聲效應 52
2.7.1 液體光聲效應的激光激發(fā)機制 52
2.7.2 液體光聲效應的應用 53
課后習題 55
參考文獻 55


第3章 光纖無源器件 57
3.1 光纖連接器 57
3.1.1 光纖連接器的基本原理和結(jié)構 57
3.1.2 光纖與光纖的連接損耗 59
3.1.3 光纖連接器的技術指標 60
3.2 光纖耦合器 61
3.2.1 光纖耦合器概述 61
3.2.2 熔錐型光纖耦合器 61
3.2.3 光纖耦合器的技術指標 62
3.3 波分復用器 63
3.3.1 波分復用器概述 63
3.3.2 角色散型波分復用器 64
3.3.3 干涉型波分復用器 64
3.3.4 光纖耦合器型波分復用器 64
3.3.5 其他類型的波分復用器 65
3.3.6 波分復用器的技術指標 65
3.4 光纖濾波器 66
3.4.1 干涉濾波器 66
3.4.2 光纖馬赫-曾德爾（M-Z）濾波器 66
3.4.3 光纖法布里-珀羅（F-P）濾波器 67
3.5 光隔離器 68
3.5.1 光隔離器的功能及原理 68
3.5.2 光隔離器的技術指標 70
3.5.3 光隔離器的應用 70
3.6 光環(huán)形器 70
3.6.1 光環(huán)形器的功能及原理 70
3.6.2 光環(huán)形器的技術指標 72
3.7 光衰減器 72
3.7.1 光衰減器概述 72
3.7.2 光衰減器的分類 72
3.7.3 固定式光衰減器與可變光衰減器 73
3.7.4 光衰減器的技術指標 73
3.8 光開關 74
3.8.1 光開關概述 74
3.8.2 機械式光開關 74
3.8.3 非機械式光開關 75
3.8.4 光開關的技術指標及特性參數(shù) 75
3.9 偏振控制器 76
3.9.1 偏振控制器概述 76
3.9.2 偏振控制器的基本原理 76
課后習題 78
參考文獻 78
第4章 光纖有源器件 80
4.1 光纖有源器件簡介 80
4.2 半導體光源 81
4.2.1 半導體光源的基本原理 81
4.2.2 發(fā)光二極管（LED） 82
4.2.3 激光二極管（LD） 84
4.2.4 PIN型光電二極管（PIN-PD） 86
4.2.5 雪崩光電二極管（APD） 88
4.3 光纖激光器 88
4.3.1 光纖激光器的基本原理 88
4.3.2 單頻半導體激光器 89
4.3.3 摻稀土光纖激光器 90
4.3.4 光纖非線性效應激光器 96
4.4 光纖放大器 97
4.4.1 摻鉺光纖概述 98
4.4.2 摻鉺光纖的放大特性 98
4.4.3 光纖放大器的性能指標 100
4.4.4 放大自發(fā)輻射（ASE）光源 103
4.4.5 光纖非線性效應放大器 107
4.4.6 寬帶光纖放大器 108
課后習題 109
參考文獻 109
第5章 光纖解調(diào)技術 112
5.1 強度解調(diào) 112
5.1.1 光柵匹配法 113
5.1.2 邊緣濾波法 115
5.1.3 光柵啁啾法 116
5.1.4 激光匹配法 117
5.1.5 射頻探測法 117
5.2 波長解調(diào) 118
5.2.1 干涉解調(diào)法 119
5.2.2 濾波解調(diào)法 121
5.3 頻率解調(diào) 123
5.4 相位解調(diào) 124
5.4.1 干涉儀的信號解調(diào) 124
5.4.2 3×3耦合器解調(diào)法 128
5.4.3 相位產(chǎn)生載波（PGC）解調(diào)法 130
5.4.4 數(shù)字正交相位解調(diào)（I/Q解調(diào)）法 134
5.5 偏振態(tài)解調(diào) 138
5.5.1 偏振基礎理論 138
5.5.2 偏振拍頻調(diào)控 140
5.5.3 偏振解復用 141
課后習題 143
參考文獻 143
第6章 分立式光纖傳感器 147
6.1 強度調(diào)制型光纖傳感器 147
6.1.1 反射式強度調(diào)制 148
6.1.2 透射式強度調(diào)制 149
6.1.3 微彎調(diào)制 150
6.1.4 折射率強度調(diào)制 151
6.1.5 光吸收系數(shù)調(diào)制 152
6.1.6 光學相干層析術 152
6.2 波長調(diào)制型光纖傳感器 153
6.2.1 波長調(diào)制型光纖傳感器的基本原理 153
6.2.2 光纖內(nèi)腔傳感技術 154
6.3 頻率調(diào)制型光纖傳感器 154
6.4 相位調(diào)制型光纖傳感器 155
6.4.1 相位調(diào)制型光纖傳感器的基本原理 155
6.4.2 相位調(diào)制光纖傳感的基本原理 156
6.4.3 光纖陀螺傳感技術 158
6.4.4 光纖法布里-珀羅（F-P）傳感器 159
6.5 偏振調(diào)制中的常用物理效應 160
6.5.1 彈光效應 160
6.5.2 法拉第效應 161
6.5.3 泡克耳斯效應 162
6.5.4 克爾效應 162
6.6 光纖光柵傳感技術 162
6.6.1 光纖光柵分類 162
6.6.2 光纖布拉格光柵（FBG）傳感器 164
6.6.3 光纖光柵傳感器 165
課后習題 166
參考文獻 166
第7章 分布式光纖傳感器 169
7.1 基于后向散射的分布式光纖傳感原理 169
7.1.1 基于瑞利散射的分布式光纖傳感原理 170
7.1.2 基于拉曼散射的分布式光纖傳感原理 171
7.1.3 基于布里淵散射的分布式光纖傳感原理 172
7.2 基于瑞利散射的全分布式光纖傳感技術 174
7.2.1 光時域反射（OTDR）技術與相敏感型的光時域反射（φ-OTDR）
技術 174
7.2.2 相干光時域反射（COTDR）技術 176
7.2.3 偏振光時域反射（POTDR）技術 179
7.2.4 光頻域反射（OFDR）技術 185
7.3 基于拉曼散射的全分布式光纖傳感技術 187
7.3.1 基于拉曼散射的光纖溫度傳感器的原理 187
7.3.2 拉曼光時域反射（ROTDR）技術 188
7.3.3 拉曼光頻域反射（ROFDR）技術 191
7.4 基于布里淵散射的全分布式光纖傳感技術 193
7.4.1 布里淵光時域反射（BOTDR）技術 193
7.4.2 布里淵光時域分析（BOTDA）技術 202
7.4.3 布里淵光頻域分析（BOFDA）技術 207
7.5 基于干涉原理的分布式光纖傳感技術 210
7.5.1 基于邁克耳孫干涉儀的分布式光纖傳感技術 210
7.5.2 基于馬赫-曾德爾（M-Z）干涉儀的分布式光纖傳感技術 211
7.5.3 基于薩尼亞克干涉儀的分布式光纖傳感技術 211
7.5.4 基于復合型干涉儀的分布式光纖傳感技術 212
課后習題 213
參考文獻 213
第8章 光纖傳感技術的應用 217
8.1 光纖傳感技術在電力領域的應用 217
8.1.1 技術背景 217
8.1.2 光纖傳感系統(tǒng)的設計 218
8.1.3 變壓器光纖局部放電監(jiān)測系統(tǒng) 219
8.1.4 智能變電站全光纖監(jiān)測應用實例 220
8.1.5 高壓電纜分布式光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)（DTS） 221
8.1.6 分布式光纖傳感器在電力系統(tǒng)中的應用 222
8.2 光纖傳感技術在油氣資源領域的應用 224
8.2.1 技術背景 224
8.2.2 分立式光纖傳感器在油氣資源領域的應用 225
8.2.3 分布式光纖傳感器在油氣資源領域的應用 227
8.3 光纖傳感技術在管道泄漏監(jiān)測領域的應用 233
8.3.1 技術背景 233
8.3.2 分立式光纖傳感器 233
8.3.3 分布式光纖測溫的原理 234
8.3.4 技術優(yōu)勢 236
8.3.5 系統(tǒng)組成及實施 236
8.3.6 應用案例 237

8.4 光纖傳感技術在煤田、礦山領域的應用 240
8.4.1 技術背景 240
8.4.2 分立式光纖傳感器在煤田、礦山領域的應用 240
8.4.3 分布式光纖傳感器在煤田、礦山領域的應用 243
8.4.4 煤礦安全生產(chǎn)光纖綜合監(jiān)測系統(tǒng) 245
8.5 光纖傳感技術在結(jié)構安全健康監(jiān)測領域的應用 245
8.5.1 分立式光纖傳感技術在橋梁安全健康監(jiān)測領域的應用 245
8.5.2 分布式光纖傳感技術在橋梁安全健康監(jiān)測領域的應用 247
8.6 光纖傳感技術在醫(yī)療領域的應用 248
8.6.1 光纖傳感技術在中醫(yī)脈象信息診斷中的應用 248
8.6.2 光纖傳感技術在葡萄糖檢測中的應用 249
8.6.3 光纖傳感技術在血流速度檢測中的應用 252
8.6.4 光纖傳感技術在醫(yī)療領域的其他應用 253
8.7 光纖傳感技術在地質(zhì)勘探領域的應用 254
8.7.1 技術背景 254
8.7.2 分立式光纖傳感器在地質(zhì)勘探領域的應用 254
8.7.3 分布式光纖傳感器在地質(zhì)勘探領域的應用 256
課后習題 258
參考文獻 259