【《基于布里渊分布式光纤变形传感原理分析》1900字】

基于布里渊分布式光纤变形传感原理分析目录TOC\o"1-3"\h\u6055基于布里渊分布式光纤变形传感原理分析 1234451.1分布式光纤监测应变传感原理 1168561.2布里渊频移与应变的关系 3118601.3布里渊频移与温度的关系 4布里渊散射是光在不均匀介质中传播时产生的一种散射现象，它是通过产生相对于入射光频率具有布里渊的Stokes光来表现的[55]。布里渊频移和强度与温度和应变有关，通过检测后向散射光的频移或强度就可以获取光纤温度或应变信息。1.1分布式光纤监测应变传感原理布里渊光时域分析（BOTDA）利用了受激布里渊作用的原理：当频率为v的入射光进入光纤且系谱功率超过某一阈值时，沿相反方向传播的泵浦光和斯托克斯光相遇后会通过声波进行非线性相互作用。光纤内产生的电磁伸缩效应令其沿光纤纵向产生周期性形变或弹性振动，光纤中产生频率为v的相干声波[56]。然后该声波沿其传播方向引起光纤折射率的周期性调制，从而形成一个随声波传播的折射率光栅，此折射率光栅通过布拉格衍射散射聚浦光。而满足波场相位匹配的声波场将得到极大增强，使光纤内的电致伸缩声波场和相应的散射光波场的增强量大于它们各自的损耗量，出现声波场和散射光场的相干放大，导致大部分传输光功率被转化为前向散射光，从而产生受激布里渊散射光。因此是在传感光纤两端射入脉冲激励光和直流探测光，从而令其产生受布里渊散射。通过检测散射后的探测光，便可得到含有温度和应变信息的信号，从中计算出传感量。根据量子理论，受激布里渊散射过程可以描述为一个入射光子泯灭，同时产生一个Stokes光子和一个声子。粒子受到激发后可以由高能级向低能级跃迁，也可以从低能级向高能级跃迁。前者是入射光子与介质粒子发生碰撞，产生一个频率较低的Stokes散射光子；后者产生一个频率较高的anti-Stokes散射光子。设入射光的角频率为，介质通过电致伸缩效应产生角频率为的相干弹性声波场，形成一个以声速运动的折射率光栅，与入射光场相互作用产生布里渊散射。由于光栅运动产生的多普勒效应，散射光角频率下移，产生一个角频率为的Stokes散射光。由于在散射过程中能量和动量守恒，三个波的角频率和波矢之间存在以下关系（2-1）（2-2）式中，，，分别为声子、入射光子和Stokes光子的波矢量。声波角频率和波矢满足色散关系，即（2-3）式中，为泵浦光与Stokes光之间的夹角，由于可以认为，进而得到。分析式（2-3）可知，Stokes光的频移与散射角有关，当时，，不存在布里渊频移；当时，取最大值，后向布里渊散射有最大频移，在单模光纤中，SBS主要发生在向后（）。其主要原因是：将带入式(2-3）中利用，可得后向布里渊散射有最大频移为:（2-4）式中，为光纤的折射率，对于石英光纤，取，，当时，；当时，。由式（2-4）可得，布里渊频移可表示为（2-5）式中，为真空的光速，为声速。可以表示为：（2-6）式中，为介质的杨氏模量，为泊松比，为介质密度。布里渊散射的频移和强度等特性参数主要取决于介质的弹性力学和热弹性力学等特性，当光纤的温度、应变发生变化时都会引起这些介质特性的改变，从而影响布里渊散射的频移和强度[57]。BOTDA技术主要利用温度和应变引起的布里渊频移变化实现对温度、应变的测量。根据弹性理论，光纤中的声速与光纤物理量之间的关系可以由（2-6）表示。光纤中的折射率和以上的物理量与温度和应变之间都可以用函数关系来表示，把这些物理量分别记作、、、,将这些物理量带入式（2-5）可得BFS为：(2-7)1.2布里渊频移与应变的关系假设传感光纤的温度保持不变，当光纤上的应变改变时，弹光效应会引起光纤折射率的变化；光纤内部原子间的相互作用势会引起杨氏模量和泊松比的改变，导致光纤的折射率变化。这些都影响布里渊频移的参数。若将设置为参考温度。则式（2-7）可以写为（2-8）由于光纤的主要成分是,所以拉伸产生的应变会变小，若只考虑微应变的情况，将式（2-8）在处做泰勒展开[58]，且只保留其一阶项，可得：（2-9）室温下，若上述参数，，，均为固定值，此时BFS与光纤的应变大小成正比关系。图2-1BOTDR应变监测原理示意图BOTDR应变光纤监测原理如图2-1所示。一般来说，在恒温条件下，当波长约为1550mm的入射光入射到单模石英光纤时，光纤上的应变改变。对应的BFS约为4.5MHZ。1.3布里渊频移与温度的关系当光纤不受任何应力的情况下，即应变，由式（2-8）可得：（2-10）当光纤温度发生变化时，由于光纤的热膨胀和热光效应，光纤密度和折射率会随着温度的变化而变化。此时，光纤的自由能随温度变化也会引起光纤的杨氏模量和泊松比等物性参数的变化。计算光纤上的温度时，首先假设传感光纤不受应变，即，当温度变化较小时，利用微元法将式（2-10）用泰勒级数，且只保留其一阶项，最终得到布里渊频移与温度的变化关系为：（2-11）综上所述，BFS的变化量与光纤温度和应变的变化量的关系，可以近似表示成线性关系