1-3 內容大綱
本論文總共分成四個章節，以下將介紹各章節內容概要：
第一章 研究動機與目的，光纖感測應用及文獻回顧。
第二章 介紹光纖感測技術及光學散射原理，並深入探討BOCDA 之系統架構、
基本原理、定位原理與空間解析度。
第三章 增加PXI 模組，以及經由軟硬體改良時序，使靜態量測所耗時間減少，
並建立可即時顯示之動態量測系統。
第四章 結論與未來展望。
圖1.
圖1.2 費布
6
1 SOFO 系
布里-佩洛干
系統配置[3]
干涉式感測器器[7]
圖
圖1.
1.4 光脈波
7
.3 BOTDR
波寬度與布里
示意圖[8]
里淵頻寬之之關係[9]
8
光纖感測器可分為本質型(Intrinsic)與非本質型(Extrinsic)兩類，如果光波一直 沒有離開光纖，而由環境的改變直接造成光纖內光波特性之改變，此類稱為本質
9 造成，又可分為雷利散射(Rayleigh scattering)及梅氏散射(Mie scattering)；而非彈性 散射則發生於光功率數十毫瓦以上，主要是入射光子與晶格間碰撞，光子會將部 分能量傳給晶格，導致散射光子有部分能量轉移使光子頻率產生變化，又可分為 布里淵散射(Brillouin scattering)和拉曼散射(Raman scattering)。
就量子振動的觀點來看，散射現象可視為光子與聲子的互相作用。在兩者互 相作用的過程中，光子可能會產生聲子，光子的能量會減少，其頻率也會減少，
稱為史托克飄移(Stoke shift)；也有可能光子會吸收聲子，光子的能量會增加，頻 率也會增加，稱為反史托克飄移(Anti-Stokes shift)，如圖 2.1[11]。
2-3 布里淵散射
產生布里淵散射的主要原因為當光射入光纖中，造成原子與原子間震動，引 起音波(acoustic wave)並因此改變折射率，而形成的一種散射現象，也就是入射光 波場與介質內彈性聲波場互相作用的結果。且入射光與音波互相作用時，會有一 部分光往後散射(180 度)，因都普勒效應(Doppler effect)，使得散射光會比入射光低 一個頻率值，稱為布里淵頻率νB，此頻率改變量又與音波成正比關係，音波又與 應變和溫度有關，一般情況下布里淵頻率約為11GHz，如圖 2.2[12]。
布里淵散射又可分為自發性(spontaneous)與激發性(stimulated)，自發性布里淵
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散射發生在光功率較低的情況，所以觀察十分困難，通常使用的都是功率較高才 會出現的激發性布里淵散射，主要是由泵波(pump wave)、探測波(probe wave)及音 波(acoustic wave)三者相互作用產生的結果[13]，大部分的入射光都會被轉成反向 的散射光。所以泵波和探測波在光纖內以反方向傳輸，再透過電致伸縮效應
探測波通過測式區(Fiber Under Test，FUT)會被光循環器導引到光偵測器來讀取由 泵波所得到的能量，此時用不同頻率去掃描探測波，從鎖相放大器可得到布里淵 增益頻譜(BGS)，如圖 2.4、2.5 為單模光纖(Single Mode Fiber ,SMF)與色散位移光 纖(Dispersion Shifted Fiber ,DSF)，其最大值對應之頻率即為布里淵頻率。
2-4.2 基本原理
光源的頻率調變可改變泵波與探測波之相關性(correlation peak)，此關係可用 在定位，下節將詳細介紹。在correlation peak 位置上，泵波與探測波頻率差為一 特定頻率，此時泵波如同一個單模態光源，產生出強且頻寬窄的布里淵增益給探 測波；在非correlation peak 位置上，泵波如同一個多模態光源，產生的布里淵增 益微弱且平坦，故所得之探測波增益遠小於在correlation peak 位置上，如圖 2.6[14]、
11 2.10[2]。將雷射光源藉由調變頻率(fm)的方式，可使 correlation peak 位置移動，由 圖2.11[2]可知當 fm調高時，correlation peaks 會往第零個 peak 移動，且只有在 correlation peaks 的位置才有布里淵增益，故只要讓待測區內只存在一個 correlation peak 即可以此 peak 來做定位，再藉由移動該 peak 來達到分佈式量測。
12
13
元件如下：
1. 光隔離器(isolater)：只允許單方向的光傳輸，如圖 2.13，在欲傳播方向(1→2) 的損失極小(＜1dB)，而在反方向(2→1)的損失則極大(＞50dB)，其工作原理是
4. 衰減器(attenuator)：本系統中，使用可調式光衰減器，主要是用來控制探測波 的強度，來達到最理想的布里淵增益頻譜[17]，所用之衰減器為 ANRITSU MN924A，如圖 2.16。其工作原理是利用迴轉機械，由衰減板和連續可變衰減 板組合而成，讓光線在對接時，發生一定錯位，使光能量產生損失，而達到 控制衰減量的目的，如圖2.17。
5. 極化控制器(polarization controller)：可分為手動及自動，如圖 2.18、2.19，主 要是控制光的極化狀態，可將任意極化態的輸入光轉成指定的極化態輸出，
工作原理是利用雙折射效應，將圓形迴圈做旋轉來改變光纖的壓力差，使得 光纖的極化態可以在很短的距離內做大幅度的改變。在使用本系統進行量測 中，當泵波與探測波有著相同的極化態，在correlation peak 處可得到顯著的 布里淵增益；相反的，如果泵波與探測波的極化態不同，甚至是正交，其在 correlation peak 處所得之布里淵增益會被大幅抑制[18]，使得應變量測產生誤 差，因此極化控制器對布里淵增益頻譜有關鍵的影響。
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2-4.5.2 光學主動元件
與被動元件相反，需要外加能量才可產生作用的元件，主要的特性是元件本 身會自動產生光電轉換效應，因此稱為主動元件。本系統所使用之光學主動元件 如下：
1. 雷射二極體(Distributed Feedback Laser Diode)：如圖2.20，本系統使用Optoway DL-5300 series DFB作為光源，其在共振腔內有一周期性的波形波導層，特定 波長的光因建設性干涉而增大，其餘波長光將被破壞性干涉給濾掉，其較易 作成單頻雷射產生狹小的頻譜，光譜越狹小對量測布里淵增益頻譜越有利。
本系統雷射光源操作波長為1550nm，並以雷射二極體控制器將操作溫度及電 流控制在25℃、20mA，確保光源處於最佳狀態下作動。
2. 摻鉺光纖放大器(EDFA)：EDFA(erbium-doped fiber amplifier)內部架構如圖2.21，
輸入光訊號經由耦合器分為主光源及監控光兩道，主光源經過隔離器會與波
3. 電光調變器(EOM)：EOM(Electro-Optical Modulators)是利用線性電光效應原理 來運作，電光效應是藉由外部電場感應，使材料(一般為LiNbO3)的折射係數發
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4. 法布立-柏若濾波器(Fabry-Perot Filter)：可讓特定波長的光通過，且具有調整 的功能，能濾掉欲濾的特定波長光。在量測過程中，泵波的反射光與得到增
2. NI PXI-4461：圖 2.23，其為一高準確度資料擷取模組(2 input/2 output)，結合 LabVIEW 鎖相放大器開發套件，可模擬一虛擬鎖相放大器(Lock-In Amplifier)，
在量測中為重要儀器，用來偵測非常小的交流訊號，即使雜訊大於訊號數千 倍。它主要是利用PSD(phase sensitive detector)將和參考訊號頻率、相位的訊 號鎖住，並過濾其他雜訊。在量測過程中，先將泵波以特定頻率截波，在能 量轉移後，探測波內含有做記號的訊號，再經由濾波器將反射泵波過濾掉，
最後由鎖相放大器擷取特定頻率的增益訊號做分析。
3. NI PXI-5652：圖 2.23，其為一具有模組化功能的連續波(Continuous-wave)產 生器，最高頻率可達6.6GHz。
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2-4.6 量測流程
圖2.24 為 BOCDA 量測流程圖，步驟介紹如下:
1. 前置作業，將光纖鋪設在待測結構物上或黏著於待測物上。
2. 將光纖接至待測區，一端接至 isolator(probe 端)，另一端接至 circulator(pump 端)。
3. 開啟系統各元件。
4. 調整濾波器至只允許布里淵散射光通過之頻段。
5. 開啟系統主程式。
6. 利用衰減器調整探測波強度至最佳訊雜比。
7. 取待測區內一特定位置，以極化控制器作極化最佳化。
8. 視待測物量測需求輸入適當的布里淵頻譜範圍、量測頻率範圍。
9. 開始量測，其在待測區每一位置做布里淵頻譜掃描。
10. 量測結果輸出。
11. 量測結束。
Is
Ramman Ray w
2 4
Gain spectrum in a.u.
10.4 10.5
1
2.3 BOCDA
單模光纖之布
0.7 10.8 Frequency in G
A 架構
0 2 3 4 5
Gain spectrum in a.u.
圖
圖 2.6
10.3 10.4 0.5
10.5 10.6
19
散位移光纖之
探測波之調變
10.7 10.8 Frequency in G
之布里淵頻
圖 2.7 藉由光源調
圖 2.8 不
調變在特定
不同應變下
20
定位置產生激
下與布里淵頻
激發性布里
頻率飄移之
里淵增益示意
之關係[16]
意圖[8]
-600
rrelation pea
0
-60
變之correlat
不同調變頻率
圖
圖
圖
23
2.13 光隔離
2.14 光耦合
2.15 光循環 離器
合器
環器
圖圖 2.16 An
圖 2.17 衰
24
nritsu MN92
衰減器工作原
24A 衰減器
原理示意圖 器
圖
圖 2.18
圖 2.19
25
8 手動極化
9 自動極化
化控制器
化控制器
圖 2
圖 2.2
26
2.20 雷射二
21 EDFA 示 二極體
示意圖
圖 2
圖 2.2
27
2.22 電光調
23 PXI 系統 調變器
統模組
28
圖 2.24 BOCDA 量測流程圖
29
第三章 系統增強與實驗結果
3-1 系統增強
3-1.1 增加 PXI 系統模組
PXI (PCI eXtensions for Instrumentation)於 1997 年進行開發，並發表於 1998 年，
為開放式的工業級標準，以滿足益形複雜的儀控系統需求，其為PC 架構的堅固平 台，可做為量測與自動化系統。PXI 整合 PCI 高效能匯流排的特色，再加入專業的 同步化匯流排與強大功能軟體。PXI 並為兼具高效能與低價位的佈署平台。這些系 統應用包含製造測試、軍事/航太、機器監控、汽車，與工業級測試。
在本文中將NI PXI-4110 模組卡片加入 PXI 系統並以 LabVIEW 控制來取代可 程式化之電源供應器(Programmable Power Supply)，使得 BOCDA 系統體積縮小，
增加便利性，如圖3.1。NI PXI-4110 為單槽式 3U PXI 模組，並可程式化 3 組輸 出精確之直流電源供應，其中有2 個隔離通道：1 個通道為 0~20 V，另 1 個通道 為0~-20V，還有 1 個非隔離的 0~6V 電源供應。且具有 16 位元解析度，可針對電 壓設定點(Setpoint)與限流(Current limit)，並適於使用電壓與電流的回讀/量測功能。
以及有多種供電軌(Supply rail)與高精確度，為絕佳的通用單一象限(Single-quadrant) 電源供應。
30 波與探測波有著相同的極化態，其在correlation peak 處可得到顯著的布里淵增益；
相反的，如果泵波與探測波的極化態不同，甚至是正交，其在correlation peak 處 所得之布里淵增益會被大幅抑制，使得所得信號受雜訊影響，而造成後半量測結
31 LabVIEW，量測所使用的人機介面如圖 3.10，上半部為參數設定，包括儀器設定、
correlation 頻率、布里淵頻率掃瞄範圍、peak 數……等；下半部為動態量測中最 重要的兩個結果，以圖形顯示，左為時間與布里淵頻率關係圖，右為時間與布里 淵增益強度關係圖。
為了測試動態量測是否能做到即時且正確的顯示，使用三峰儀器(Mitutoyo) AT115 光學尺、KA counter 與十公分、一公尺兩台尺寸不同的線性滑車輔助此項實 驗，如圖3.11、3.12。線性滑車一端為固定端，另一端為移動端，並將光學尺安裝 在線性滑車，連結至KA counter，即可偵測及顯示固定端與移動端之間的距離，精 確度可達10μm，因此再將位移控制桿利用馬達控制，使光纖達到週期性動態應變 之效果。圖3.13 為動態實驗中所用之測試光纖，將兩熱縮套管相距十公分熔接至
32 析度0.01GHz(200με)，對應變大小判定較精準，但量測所耗時間較長；第二種應 變解析度0.03GHz(600με)，對應變大小判定較不精準，但量測所耗時間較短。以
33 (sampling rate) 平均為 1.7Hz，當振動頻率 0.25Hz、0.5Hz 時，量測可完整描繪出
33 (sampling rate) 平均為 1.7Hz，當振動頻率 0.25Hz、0.5Hz 時，量測可完整描繪出