光纤传感原理与应用

第1章 光纤技术基础 1
1.1 光纤的结构与分类 1
1.1.1 光纤的结构 1
1.1.2 光纤的分类 2
1.2 光纤的导光原理 4
1.2.1 光在介质分界面上的全反射 5
1.2.2 光线在光纤中的传播 5
1.2.3 光波在光纤中的传播 9
1.3 光纤的损耗特性 12
1.3.1 光纤的损耗系数 13
1.3.2 吸收损耗 13
1.3.3 散射损耗 14
1.3.4 辐射损耗 15
1.4 光纤的色散特性 15
1.4.1 时延差和色散系数 16
1.4.2 材料色散和波导色散 17
1.4.3 模间色散 18
1.4.4 光纤的传输带宽 19
1.5 光纤的偏振特性与双折射效应 21
1.5.1 单模光纤的理想偏振特性与双折射效应 21
1.5.2 保偏光纤的理想偏振特性与双折射效应 22
1.5.3 纯单模光纤的双模态 22
1.6 光纤的非线性特性 23
1.6.1 非线性折射 24
1.6.2 受激非弹性散射 25
1.6.3 参量过程与四波混频 27
1.6.4 光学孤子 28
1.7 光缆基础知识 29
1.7.1 光缆结构的基本要求 29
1.7.2 光缆按结构分类 30
1.7.3 光缆的其他类型 30
1.7.4 光缆的型号 32
课后习题 34
参考文献 34
第2章 光学效应 35
2.1 光学多普勒效应 35
2.2 声光效应 36
2.3 磁光效应 37
2.3.1 法拉第效应 37
2.3.2 克尔磁光效应 38
2.3.3 磁光效应的应用 39
2.4 电光效应 40
2.4.1 泡克耳斯效应 41
2.4.2 基于电光效应的光纤电压传感技术 42
2.4.3 一种基于电光效应的光纤电压传感器 46
2.5 弹光效应 46
2.6 萨尼亚克效应 47
2.6.1 圆形光轨道的情况 47
2.6.2 任意形状光轨道的情况 48
2.6.3 光纤陀螺的原理 50
2.7 光声效应 52
2.7.1 液体光声效应的激光激发机制 52
2.7.2 液体光声效应的应用 53
课后习题 55
参考文献 55


第3章 光纤无源器件 57
3.1 光纤连接器 57
3.1.1 光纤连接器的基本原理和结构 57
3.1.2 光纤与光纤的连接损耗 59
3.1.3 光纤连接器的技术指标 60
3.2 光纤耦合器 61
3.2.1 光纤耦合器概述 61
3.2.2 熔锥型光纤耦合器 61
3.2.3 光纤耦合器的技术指标 62
3.3 波分复用器 63
3.3.1 波分复用器概述 63
3.3.2 角色散型波分复用器 64
3.3.3 干涉型波分复用器 64
3.3.4 光纤耦合器型波分复用器 64
3.3.5 其他类型的波分复用器 65
3.3.6 波分复用器的技术指标 65
3.4 光纤滤波器 66
3.4.1 干涉滤波器 66
3.4.2 光纤马赫-曾德尔（M-Z）滤波器 66
3.4.3 光纤法布里-珀罗（F-P）滤波器 67
3.5 光隔离器 68
3.5.1 光隔离器的功能及原理 68
3.5.2 光隔离器的技术指标 70
3.5.3 光隔离器的应用 70
3.6 光环形器 70
3.6.1 光环形器的功能及原理 70
3.6.2 光环形器的技术指标 72
3.7 光衰减器 72
3.7.1 光衰减器概述 72
3.7.2 光衰减器的分类 72
3.7.3 固定式光衰减器与可变光衰减器 73
3.7.4 光衰减器的技术指标 73
3.8 光开关 74
3.8.1 光开关概述 74
3.8.2 机械式光开关 74
3.8.3 非机械式光开关 75
3.8.4 光开关的技术指标及特性参数 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
课后习题 78
参考文献 78
第4章 光纤有源器件 80
4.1 光纤有源器件简介 80
4.2 半导体光源 81
4.2.1 半导体光源的基本原理 81
4.2.2 发光二极管（LED） 82
4.2.3 激光二极管（LD） 84
4.2.4 PIN型光电二极管（PIN-PD） 86
4.2.5 雪崩光电二极管（APD） 88
4.3 光纤激光器 88
4.3.1 光纤激光器的基本原理 88
4.3.2 单频半导体激光器 89
4.3.3 掺稀土光纤激光器 90
4.3.4 光纤非线性效应激光器 96
4.4 光纤放大器 97
4.4.1 掺铒光纤概述 98
4.4.2 掺铒光纤的放大特性 98
4.4.3 光纤放大器的性能指标 100
4.4.4 放大自发辐射（ASE）光源 103
4.4.5 光纤非线性效应放大器 107
4.4.6 宽带光纤放大器 108
课后习题 109
参考文献 109
第5章 光纤解调技术 112
5.1 强度解调 112
5.1.1 光栅匹配法 113
5.1.2 边缘滤波法 115
5.1.3 光栅啁啾法 116
5.1.4 激光匹配法 117
5.1.5 射频探测法 117
5.2 波长解调 118
5.2.1 干涉解调法 119
5.2.2 滤波解调法 121
5.3 频率解调 123
5.4 相位解调 124
5.4.1 干涉仪的信号解调 124
5.4.2 3×3耦合器解调法 128
5.4.3 相位产生载波（PGC）解调法 130
5.4.4 数字正交相位解调（I/Q解调）法 134
5.5 偏振态解调 138
5.5.1 偏振基础理论 138
5.5.2 偏振拍频调控 140
5.5.3 偏振解复用 141
课后习题 143
参考文献 143
第6章 分立式光纤传感器 147
6.1 强度调制型光纤传感器 147
6.1.1 反射式强度调制 148
6.1.2 透射式强度调制 149
6.1.3 微弯调制 150
6.1.4 折射率强度调制 151
6.1.5 光吸收系数调制 152
6.1.6 光学相干层析术 152
6.2 波长调制型光纤传感器 153
6.2.1 波长调制型光纤传感器的基本原理 153
6.2.2 光纤内腔传感技术 154
6.3 频率调制型光纤传感器 154
6.4 相位调制型光纤传感器 155
6.4.1 相位调制型光纤传感器的基本原理 155
6.4.2 相位调制光纤传感的基本原理 156
6.4.3 光纤陀螺传感技术 158
6.4.4 光纤法布里-珀罗（F-P）传感器 159
6.5 偏振调制中的常用物理效应 160
6.5.1 弹光效应 160
6.5.2 法拉第效应 161
6.5.3 泡克耳斯效应 162
6.5.4 克尔效应 162
6.6 光纤光栅传感技术 162
6.6.1 光纤光栅分类 162
6.6.2 光纤布拉格光栅（FBG）传感器 164
6.6.3 光纤光栅传感器 165
课后习题 166
参考文献 166
第7章 分布式光纤传感器 169
7.1 基于后向散射的分布式光纤传感原理 169
7.1.1 基于瑞利散射的分布式光纤传感原理 170
7.1.2 基于拉曼散射的分布式光纤传感原理 171
7.1.3 基于布里渊散射的分布式光纤传感原理 172
7.2 基于瑞利散射的全分布式光纤传感技术 174
7.2.1 光时域反射（OTDR）技术与相敏感型的光时域反射（φ-OTDR）
技术 174
7.2.2 相干光时域反射（COTDR）技术 176
7.2.3 偏振光时域反射（POTDR）技术 179
7.2.4 光频域反射（OFDR）技术 185
7.3 基于拉曼散射的全分布式光纤传感技术 187
7.3.1 基于拉曼散射的光纤温度传感器的原理 187
7.3.2 拉曼光时域反射（ROTDR）技术 188
7.3.3 拉曼光频域反射（ROFDR）技术 191
7.4 基于布里渊散射的全分布式光纤传感技术 193
7.4.1 布里渊光时域反射（BOTDR）技术 193
7.4.2 布里渊光时域分析（BOTDA）技术 202
7.4.3 布里渊光频域分析（BOFDA）技术 207
7.5 基于干涉原理的分布式光纤传感技术 210
7.5.1 基于迈克耳孙干涉仪的分布式光纤传感技术 210
7.5.2 基于马赫-曾德尔（M-Z）干涉仪的分布式光纤传感技术 211
7.5.3 基于萨尼亚克干涉仪的分布式光纤传感技术 211
7.5.4 基于复合型干涉仪的分布式光纤传感技术 212
课后习题 213
参考文献 213
第8章 光纤传感技术的应用 217
8.1 光纤传感技术在电力领域的应用 217
8.1.1 技术背景 217
8.1.2 光纤传感系统的设计 218
8.1.3 变压器光纤局部放电监测系统 219
8.1.4 智能变电站全光纤监测应用实例 220
8.1.5 高压电缆分布式光纤温度监测系统（DTS） 221
8.1.6 分布式光纤传感器在电力系统中的应用 222
8.2 光纤传感技术在油气资源领域的应用 224
8.2.1 技术背景 224
8.2.2 分立式光纤传感器在油气资源领域的应用 225
8.2.3 分布式光纤传感器在油气资源领域的应用 227
8.3 光纤传感技术在管道泄漏监测领域的应用 233
8.3.1 技术背景 233
8.3.2 分立式光纤传感器 233
8.3.3 分布式光纤测温的原理 234
8.3.4 技术优势 236
8.3.5 系统组成及实施 236
8.3.6 应用案例 237

8.4 光纤传感技术在煤田、矿山领域的应用 240
8.4.1 技术背景 240
8.4.2 分立式光纤传感器在煤田、矿山领域的应用 240
8.4.3 分布式光纤传感器在煤田、矿山领域的应用 243
8.4.4 煤矿安全生产光纤综合监测系统 245
8.5 光纤传感技术在结构安全健康监测领域的应用 245
8.5.1 分立式光纤传感技术在桥梁安全健康监测领域的应用 245
8.5.2 分布式光纤传感技术在桥梁安全健康监测领域的应用 247
8.6 光纤传感技术在医疗领域的应用 248
8.6.1 光纤传感技术在中医脉象信息诊断中的应用 248
8.6.2 光纤传感技术在葡萄糖检测中的应用 249
8.6.3 光纤传感技术在血流速度检测中的应用 252
8.6.4 光纤传感技术在医疗领域的其他应用 253
8.7 光纤传感技术在地质勘探领域的应用 254
8.7.1 技术背景 254
8.7.2 分立式光纤传感器在地质勘探领域的应用 254
8.7.3 分布式光纤传感器在地质勘探领域的应用 256
课后习题 258
参考文献 259