光纤传感调研

1、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

2、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10 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

3、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，但由于光纤的非结品材料在微观 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

4、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

5、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

6、，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：七=*一匕=2 VonVa Sin /

7、2）/ C式中：vs为布里渊散射光的斯托克斯光光频；Va为入射光光频；n为光纤折 射率；Vo为介质中声速；VB为布里渊频移；e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：vB - v$ - vo = 2vonva / c其中va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：AVB = CVTT + CV PB - Cpt A T + Cp序式中：AVb为布里渊频移变化量；A&为应变的变化量；T为温度变化量；CVT 布里渊频移温度系数；C此为布里渊频移应变系数；APB

8、为布里渊功率变化量； CPT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II图1 EOTDR分布式传感技术

9、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一曾德而干涉仪实现

10、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 R g，空间分辨率为10 m。Kurashima T.等人利用相十检测的方法在11.57 km的 光纤上获得了空间分辨率为100 m，应变测量精度为土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 到土 0.01%，空间分辨率为1m。(2)布里渊光时域分析技术(BOTDA)图2 BOTDA分布式传感技术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

11、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 R&，在250 mm的空间分辨率上应变精度为20 R&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 R 。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