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雨滴碰击光缆后光纤应变相位调制分析

更新时间：2019-12-25 18:08:50 大小：458K 上传用户：守着阳光1985查看TA发布的资源 标签：光缆光纤 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

基于云动力学理论,分析了雨滴碰击光缆后径向应变导致光纤纤芯折射率及形状发生改变,使光纤内传输光相位受到调制的过程.建立了雨滴碰击光缆引起光纤内传输光相位调制的模型,获得了降雨强度与相位调制之间的关系.研制了雨滴碰击光缆相位调制实验室验证系统,对比了模拟降雨强度分别为3,5,7,10,15,18,22,30 mm/h时的实验测试与仿真结果,两者变化趋势一致,误差在9%以内.该模型可用于仿真获得不同降雨强度下雨滴碰击光缆引起的光相位调制,为进一步研究降雨对光纤振动传感系统性能的影响,优化光纤振动传感工程应用系统,提出可行的雨量补偿方案提供了理论参考.


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物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 67, No. 2 (2018) 024211  
雨滴碰击光缆后光纤应变相位调制分析  
朱辉 孙小菡†  
(东南大学, 光传感/通信综合网络国家地方联合工程研究中心, 南京 210096)  
( 2017 年 6 月 22 日收到; 2017 年 9 月 2 日收到修改稿 )  
基于云动力学理论, 分析了雨滴碰击光缆后径向应变导致光纤纤芯折射率及形状发生改变, 使光纤内传  
输光相位受到调制的过程. 建立了雨滴碰击光缆引起光纤内传输光相位调制的模型, 获得了降雨强度与相位  
调制之间的关系. 研制了雨滴碰击光缆相位调制实验室验证系统, 对比了模拟降雨强度分别为 3, 5, 7, 10, 15,  
18, 22, 30 mm/h 时的实验测试与仿真结果, 两者变化趋势一致, 误差在 9% 以内. 该模型可用于仿真获得不  
同降雨强度下雨滴碰击光缆引起的光相位调制, 为进一步研究降雨对光纤振动传感系统性能的影响, 优化光  
纤振动传感工程应用系统, 提出可行的雨量补偿方案提供了理论参考.  
关键词: 光纤光缆, 云动力学, 振动传感, 雨滴碰击  
PACS: 42.81.–i, 92.60.N–, 07.07.Df, 92.60.Jq  
DOI: 10.7498/aps.67.20171440  
1 引  
言
2 雨滴碰击相位调制过程分析  
常用的雨量等级按照 12 h 或 24 h 降雨量来划  
分, 每小时的等效降雨量非常小, 并不能准确反映  
降雨强度大小, 瞬时最大降雨强度被降低, 对实际  
光纤传感系统分析不利. 因此采用每小时降雨量作  
为划分标准, 将降雨等级分为四类, 如表 1 所示.  
光纤振动传感技术是根据外界振动对光纤中  
传输光的相位调制作用, 实现对振动的测量 [1,2]  
.
国内外学者已经进行了大量的研究, 提出了多种光  
纤振动传感系统, 广泛应用于油田安全监测、周界  
安防、管道安全监测、交通运输等领域 [3−7]. 然而,  
当传感光缆暴露在大气环境中时, 降雨直接作用于  
传感光缆, 雨滴碰击引起的相位调制混杂在传感信  
号中, 系统难以区分信号, 导致系统误报警, 严重影  
响传感系统的正常运行 [8,9]. 在中国长江下游地区  
的雨季, 集中暴雨、大雨带来的影响极其明显. 目  
前, 对于光纤振动传感系统中雨滴碰击光缆引起的  
光纤内传输光相位调制研究鲜有报道.  
本文基于云动力学理论 [10], 分析了雨滴降落  
末速度与尺寸分布及其碰击光缆后的光纤应变相  
位调制, 建立了雨滴碰击光缆引起的光纤内传输光  
的相位调制模型, 获得了降雨强度与相位调制间的  
关系, 通过了实验验证, 为进一步优化光纤振动传  
感工程应用系统, 提出可行的雨量补偿方案提供理  
论参考.  
表 1 降雨等级分类 [11]  
Table 1. Rainfall classification  
[11]  
.
降雨等级  
小雨  
中雨  
大雨  
暴雨  
降雨量/mm·h−1  
≤ 2.5  
2.6—8 8.1—15.9  
≥ 16  
从南京站降雨资料 (1981—2010) 来看 [12], 全  
市多年平均降雨量约为1090.6 mm, 年降雨量丰沛,  
汛期降雨量占全年降雨量的 60%—70%, 暴雨、大  
雨较集中, 因此光纤振动传感系统在设计和使用中  
必须考虑降雨条件下的环境适应能力.  
2.1 雨滴碰击动力学  
雨滴对光纤的碰击和引起光相位变化的能量  
来自雨滴降落到光纤表面前由势能转化的动能. 雨  
†
通信作者. E-mail:
© 2018 中国物理学会 Chinese Physical Society  
024211-1  
物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 67, No. 2 (2018) 024211  
1.0  
滴在下降过程中受到重力和空气阻力的作用, 最  
终以匀速下落, 此速度为雨滴的降落末速度. 目前  
研究人员已经提出多种雨滴降落末速度的经验公  
式 [13,14], 对幂函数、Altas、沙玉清、牛顿等公式进行  
了仿真分析, 结果大致相同. 其中, 幂函数公式计  
算简单, 相位调制与降雨强度的比例关系直观. 雨  
滴降落末速度与雨滴直径的幂函数经验公式为  
0.8  
0.6  
0.4  
0.2  
0
0
τ
2τ  
3τ  
V (D) = αDβ,  
(1)  
Time  
图 1 雨滴碰击力的归一化曲线  
式中V (D) 为雨滴降落末速度, D 为雨滴直径, α 和  
β 为率定系数, 通常α = 3.778, β = 0.67.  
Fig. 1. Normalized curve of raindrop collision.  
雨滴谱是指单位体积中雨滴的数量随雨滴大  
小的分布, 即单位体积内单位尺度间隔中的雨滴数  
(m−3·m−1). 国内外对雨滴谱有大量研究, 建立了  
不同的雨滴尺寸分布模型 [15−17], 其中 M-P 指数分  
布是由 Marshall 和 Palmer 首次提出的一个负指数  
模型, 用于拟合雨滴谱, 其形式为  
雨滴与光纤的碰击持续时间极短, 假设在此过  
程中不考虑雨滴的水气挥发及碰击造成的飞溅, 则  
碰击过程符合动量守恒, 假设雨滴与光纤碰击后速  
度变为零, 可得 [20]  
∫
∫
τ
V (D)  
P(D, t)dt =  
mdv,  
(6)  
0
0
式中m为雨滴的质量.  
N(D) = N0 exp (−ΛD) ,  
(2)  
式中 N(D) 为单位体积的雨介质内雨滴直径为 D  
的雨滴数量, N0 为雨滴平均空间密度常数, 通常取  
值 8000 m−3·mm−1, Λ 为降雨强度 I 的幂函数, 其  
表达式为  
2.2 雨滴碰击光缆后产生径向应变的过程  
图 2 所示为雨滴碰击光缆过程的等效示意图.  
雨滴在下降过程中与水平敷设的光缆表面碰击, 在  
光缆的正中心位置, 雨滴与光缆表面垂直碰击, 其  
他位置的雨滴与光缆表面碰击有一定接触角. 雨  
滴碰击与光缆表面接触角的变化对碰击力以及碰  
击过程中的运动阶段影响很小, 不同接触角的雨滴  
碰击力峰值差别不大, 而且碰击力随时间的变化也  
基本保持一致 [22], 因此可等效为沿光缆径向施加  
碰击力. 同时, 光缆径向受到碰击后产生径向应变,  
Λ = 4.1I−0.21  
.
(3)  
单位时间单位表面所接收的雨滴直径分布函数是  
雨滴谱函数与雨滴速度的乘积, 可表示为 [18]  
N′(D) = V (D)N(D),  
(4)  
式中 N′(D) 为单位时间单位表面所接收的雨滴直  
径分布函数.  
雨滴  
假设雨滴的形状为球形, 忽略雨滴之间的相互  
作用, 雨滴以下降末速度与光纤碰击, 雨滴与固体  
表面低速垂直碰击时, 不同直径、不同速度的雨滴  
碰击力的作用时间基本一致. 雨滴碰击力的归一  
化曲线如图 1 中实线所示, 碰击力在快速上升和快  
雨滴  
光缆  
纤芯  
速下降阶段持续时间约为 τ, 随后平滑下降 [19−21]  
.
雨滴  
光缆  
为了简化研究, 雨滴碰击力的大小近似用周期为2τ  
的正弦波来拟合, 如图 1 中虚线所示, 且仅考虑雨  
滴碰击后τ 时间段内的情况, 碰击力可表示为  
纤芯  
(
)
π
纤芯  
光缆  
P(D, t) = P  
(D) sin  
t , 0 ＜ t ＜ τ, (5)  
peak  
τ
式中 P(D, t) 为直径为 D 的雨滴碰击光纤表面的压  
图 2 雨滴碰击光缆过程等效示意图  
力, P  
(D)为压力最大值.  
Fig. 2. Equivalent process of raindrop collision.  
peak  
024211-2  

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