基于布里渊散射原理的分布式光纤传感器

分布式光纤传感器

BOTDR篇石强2010.12.09目录一、分布式光纤传感器二、BOTDR基本理论分析三、BOTDR系统设计四、BOTDR性能分析 五、布里渊分布式传感器发展方向一、分布式光纤传感器

分布式光纤传感器基本原理应用方向主要分类1.1分布式光纤传感器基本原理从光源发出的光经耦合器注入光纤，由光纤传输而通过敏感元件，光在通过敏感元件时，因敏感元件是暴露在被测对象(如温度、压力、磁场等)之中且对被测对象极其敏感，使光在这里受到被测对象的调制，如光的强度、偏振面、频率和相位等；然后，调制光由耦合器进入光纤，再经光纤传输到信息处理器上，经光电检测和信号处理而得到被测对象的信息图1.1光纤传感器原理示意图1.2分布式光纤传感器分类注:“——”表示不可以测量;“……”表示无此参数;“*”表示仿真结果基于不同原理的分布式光纤传感器性能对比1.3光纤传感器应用光纤传感技术的应用研究主要有以下四大类：1、光纤层析成像技术2、智能材料3、光纤陀螺与惯导系统4、常规工业工程传感器二、BOTDR性能分析基本原理布里渊散射是光在不均匀的介质中传播时发生的一种散射现象，它的频率和强度相对于入射光均会发生变化。布里渊频移和强度与光纤材料中的声速有关，而声速受到光纤材料的热光特性和弹光特性的影响，所以光纤中的温度和应变的变化都会引起布里渊频移和强度的变化。

光通过光纤时,光子和光纤中自发热运动产生的声子产生非弹性碰撞,发生自发布里渊散射.散射光的频率相对入射光的频率发生变化,变化的大小与散射角和光纤的材料特性有关（折射率、杨氏模量、泊松比、密度）.以上特性主要受温度T和应变ε的影响。通过测定脉冲光的后向布里渊散射光的频移就可实现分布式温度、应变测量2.1布里渊频移与温度和应变的关系9式中为斯托克斯光频率，，c为真空中光速，为光纤中的声速，θ为散射角

式中E为杨氏模量，κ为泊松比，ρ为光纤纤芯密度2.1.1布里渊频移与温度和应变的关系2.1.2布里渊频移与温度和应变的关系由上式可知布里渊频移与温度呈线性关系，温度每变化1，布里渊频移变化约1.2MHz

由上式可知布里渊频移与应变呈线性关系，应变每变化10-3所引起的布里渊频移变化Δ约为50MHz。

当应变为0，温度为20，泵浦光波长为1550nm时，普通单模石英光纤≈1.46，≈5890m/s，布里渊频移为11.2GHz。

2.2布里渊强度与温度和应变的关系P0为入射脉冲光功率，s为布里渊散射背向捕捉系数，为布里渊散射损耗系数，W为脉冲宽度，

为光线中速度。

λ为真空中光波长，n为纤芯折射率，为光纤有效面积。

K为波尔兹曼常数，T为绝对温度，p12为光线弹光系数，ρ为光纤材料密度，VA为光纤中声波纵模声速。=9.5Χ10-11m2，p12=0.27，k=1.38Χ10-23J/K

计算可得：布里渊强度变化的温度系数约为0.34%/K计算可得：布里渊强度变化的应变系数约为-0.982Χ10-4

%/με

2.2.1布里渊强度与温度和应变的关系2.3温度和应变的分布式同时测量在BOTDR系统中，通常是利用布里渊频移来确定温度或应变，一般由布里渊频移确定应变时假设温度保持不变，而由它测定温度时假设应变不变。但在实际应用中，往往是温度和应变同时变化，由于布里渊频移和强度随它们同时变化，这就出现了传感光纤布里渊散射谱参数对温度和应变交叉敏感的问题。研究发现布里渊频移随光纤的温度和应变近似线性变化，布里渊强度随温度的上升而近似线性增加，随应变增加而近似线性下降。可采用如下表达式来说明：、PB0分别为参考温度、应变下的布里渊频移和强度；ΔT和Δ

ε分别为温度和应变的变化量；Cvt、Cvε、CPT、CPε

分别为布里渊频移、强度的温度和应变系数。这些系数可以通过实验来确定。

14三、基于LPR的微波外差检测BOTDR系统设计

LPR的微波外差检测BOTDR系统的整体设计信号采集与处理子系统光发射子系统光脉冲调制子系统布里渊外差接收子系统下变频器子系统3.1光发射子系统发射子系统窄谱光源中心波长1550nm线宽<1MHz

光脉冲参数设计

光脉冲宽度10ns光脉冲峰值功率光脉冲重复频率f=c/2L*n宽谱光源