光纤传感调研.doc

基于布里渊散射的分布式光纤传感技术的研究及进展摘要：阐述了基于布里渊散射分布式的光纤传感技术的传感机理，简要介绍了基于脉冲技术的布里渊分布式传感技术(BOTDR，BOTDA）的基本原理及应用进展，并分析指出了其在空间分辨率等方面存在的问题。关键词：布里渊散射； 分布式传感； 空间分辨率； 连续波； 拉曼放大1.引言分布式光纤传感技术是基于光纤工程中广泛应用的光时域反射(OTDR)技术发展起来的一种新型传感技术，由于它具有其他传感技术所无法比拟的优点，因此成为目前传感技术研究领域的热点。从上世纪七十年代末到现在二十几年里，分布式光纤传感技术得到了很快发展，并在以下三个方面取得了突破：（1）.基于瑞利散射的分布式光纤传感技术；（2）.基于拉曼散射的分布式光纤传感技术；（3）.基于布里渊散射的分布式光纤传感技术。瑞利散射信号最强，但它对温度和应力都不敏感，测量精度低，传感距离短。因而，目前基于瑞利散射的传感器已经鲜有报道。基于拉曼散射的传感器是目前最实用化的一类光纤传感器，但它的信号比较小，比布里渊散射的信号约小 l0 dB，而且对应变不敏感，限制了其在工程上的应用。基于布里渊散射的分布式传感技术虽然起步较晚，但与其他分布式传感技术相比，它有显著的优点：（1） 由于它是通过检测布里渊频移测量温度或应变，因而测量精度明显高于其他技术。（2） 测量范围大，最长测量距离可达 250 KM，能满足工程应用中长距离测量的需要。（3） 空间分辨率高，目前已达厘米级水平。（4） 通过同时检测频移和功率，可实现温度和应变的同时测量，便于提高仪器利用率，节约成本。因此这种技术在目前得到广泛关注与研究，新的理论和技术层出不穷。2.光纤中的布里渊散射及其传感机理（1） 布里渊散射在光纤中传播的光波,其大部分是前向传播的，但由于光纤的非结晶材料在微观空间存在不均匀结构，有一小部分光会发生散射。光纤中的散射过程主要有三种：瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射，它们的散射机理各不相同。其中，布里渊散射是光波与声波在光纤中传播时相互作用而产生的光散射过程，在不同的条件下，布里渊散射又分别以自发散射和受激散射两种形式表现出来。在注入光功率不高的情况下，光纤材料分子的布朗运动将产生声学噪声，当这种声学噪声在光纤中传播时，其压力差将引起光纤材料折射率的变化，从而对传输光产生自发散射作用，同时声波在材料中的传播将使压力差及折射率变化呈现周期性，导致散射光频率相对于传输光有一个多普勒频移，这种散射称为自发布里渊散射。自发布里渊散射可用量子物理学解释如下：一个泵浦光子转换成一个新的频率较低的斯托克斯光子并同时产生一个新的声子；同样地，一个泵浦光子吸收一个声子的能量转换成一个新的频率较高的反斯托克斯光子。因此在自发布里渊散射光谱中，同时存在能量相当的斯托克斯和反斯托克斯两条谱线，其相对于入射光的频移大小与光纤材料声子的特性有直接关系。 由于构成光纤的硅材料是一种电致伸缩材料，当大功率的泵浦光在光纤中传播时，其折射率会增加，产生电致伸缩效应，导致大部分传输光被转化为反向传输的散射光，产生受激布里渊散射。具体过程是：当泵浦光在光纤中传播时，其自发布里渊散射光沿泵浦光相反的方向传播,当泵浦光的强度增大时，自发布里渊散射的强度增加，当增大到一定程度时，反向传输的斯托克斯光和泵浦光将发生干涉作用，产生较强的干涉条纹，使光纤局部折射率大大增加。这样由于电致伸缩效应，就会产生一个声波，声波的产生激发出更多的布里渊散射光，激发出来的散射光又加强声波，如此相互作用,产生很强的散射，这就是受激布里渊散射(SBS)。相对于光波而言，声波的能量可忽略,因此在不考虑声波的情况下，这种SBS过程可以概括为频率较高的泵浦光的能量向频率低的斯托克斯光转移的过程。这样受激布里渊散射可以看成仅仅是在有泵浦光存在的情况下在电致伸缩材料中传播的斯托克斯光经历了一个光增益的过程。在受激布里渊散射中，虽然理论上反斯托克斯和斯托克斯光都存在,一般情况下只表现为斯托克斯光。（2） 布里渊散射的传感机理 如前所述，光纤中的布里渊散射相对泵浦光有一个频移，通常称为布里渊频移。其大小主要由光纤的声学特性和弹性力学特性决定，此外还与散射角和入射光频率有关： 式中：为布里渊散射光的斯托克斯光光频； 为入射光光频； n 为光纤折射率； 为介质中声速；为布里渊频移； 为散射光与入射光的夹角。故背向布里渊散射的布里渊频移最大为：其中为温度和应变的函数。大量的理论和实验研究证明，光纤中布里渊散射信号的布里渊频移和功率与光纤所处环境和所承受的应变在一定条件下呈线性变化关系， 并由下式给出： 式中：为布里渊频移变化量；为应变的变化量；T为温度变化量；布里渊频移温度系数；为布里渊频移应变系数；为布里渊功率变化量；为布里渊功率温度系数；为布里渊功率应变系数。因此，在已知温度、应变系数的情况下测定布里渊散射信号的频移和功率，通过上面两式就可以得到温度和应变信息，这就是基于布里渊散射的分布式传感技术的传感机理。3.布里渊分布式传感技术的发展1989 年，Horighguchi 和 Culverhouse 首次提出了利用布里渊频移来分布式测量温度和应力的方案，此后在世界范围内，众多研究人员展开了基于布里渊散射的分布式传感器的开发和研究，经过十几年的不懈努力，取得了可喜的成果。目前，大部分布里渊散射型的分布式传感器都主要基于两个基本技术，即布里渊光时域反射技术和布里渊光时域分析技术。（1）布里渊光时域反射技术（BOTDR） 布里渊光时域反射技术是由传统的光时域反射计技术发展起来的，其基本原理如图 1 所示。将一脉冲光注入光纤，当脉冲光在光纤中传输时，在光纤的脉冲发射端可以检测到由布里渊散射产生的背向散射光，脉冲光和散射光之间的时间延迟可以提供检测光纤的位置信息，因而可以对光纤进行分布式测量。布里渊散射的频移和功率受温度和应变的影响，通过检测频移或功率即可获得温度和应变信息。BOTDR 系统结构比较简单，可实现单端测量，并且可以测断点，因而比较适合工程应用。但测量范围不大，精度不高。英国南安普敦大学研究小组利用马赫曾德而干涉仪实现了自发布里渊散射信号的提取，获得了温度和应变的同时传感，传感精度分别为 4 和 290 ，空间分辨率为 10 m。Kurashima T.等人利用相干检测的方法在 11.57 km 的光纤上获得了空间分辨率为 100 m，应变测量精度为0.006%的实验结果。日本的 Ando 公司已开发出基于自发布里渊散射的光纤应变测量仪，应变精度达到0.01%，空间分辨率为1m。（2）布里渊光时域分析技术（BOTDA） BOTDA 最初认为是一种没有破坏性的光纤损耗测量，在明确了应变和布里渊频移之间的相互关系之后BOTDA 发展为一种应变测量技术。基本原理如图 2 所示。处于光纤两端的可调谐激光器分别将一脉冲光和连续光注入被测光纤，当两束光的频率差等于光纤中某区域的布里渊频移时，将发生布里渊放大效应。在对两束激光器频率进行连续调整的同时，通过检测从光纤端射出的连续光功率。就可确定光纤各小段区域上布里渊增益达到最大时所对应的频率差，从而实现温度和应力的分布式测量。BOTDA 技术测量的动态范围大，精度高，因而受到普遍重视，投入的研究比较多，技术较为成熟。但双光源的使用以及无法检测断点影响了它在某些工程领域的应用。1999 年，AnthonyW.等人全面系统的分析了影响 BOTDA 系统精度的因素及相互关系，并通过最优化各个因素，获得了在 500 mm 的空间分辨率上应变精度为 20 ，在 250 mm 的空间分辨率上应变精度为 20 的实验结果。美国的 Micron Optics 公司已经研制出了基于受激布里渊散射原理温度应变监测系统，传感距离可达 30 km，温度分辨率为 1 m，应变精度为 20 。分布式光纤传感器具备提取大范围测量场的分布信息的能力,能够解决目前测量领域的众多难题。其中分布式光纤温度传感器可用于如大型电力变压器、高压电力网、高层建筑等大的或长的设备的温度分布测量