【《分布式光纤传感技术的发展研究国内外文献综述》4000字】

分布式光纤传感技术的发展研究国内外文献综述1.1研究背景物联网（Theinternetofthings,IOT）是当前国际上受到广泛关注且涉及学科交叉的热点研究领域。其概念在1999年被首次提出，主要包括标识、感知、处理和信息传送四个关键环节，并以传感、传输、网络管理系统、云计算平台等技术为支撑，对物品和过程实现智能化感知、识别和管理[1]。而光纤既可作为传感器件又可充当信息传输媒介，在物联网的发展中展现出了极其广阔的应用前景。光纤传感技术自20世纪70年代以来迅速发展，凭借光纤本身抗电磁干扰、耐腐蚀、防火防爆、灵敏度高、重量轻、体积小等独特优势完成了普通传感器难以完成的任务。分布式光纤传感技术便是光纤传感在物联网中的重要应用之一，光纤传感网正在逐渐组成智慧城市、智慧中国、乃至智慧地球的光纤神经网[2]。随着社会的高速发展、人民生活水平的快速提升以及科学技术的更新迭代，以主动红外对射、电子脉冲等技术作为支撑的传统安防系统逐渐不能满足人们日益提高的安防需求。这些传统的安防系统易受到外界环境的限制，例如，在油田、变电站、油库等高温、高压、强电磁环境中，电学传感器不能正常的工作，更不能运用在军事基地、国际边防等极其恶劣的环境。与此同时，分布式光纤传感技术的出现很好地弥补了电学传感器安防系统应用环境的局限性，解决了行业多年来一直存在的技术难题。其还具有高灵敏度、防区范围大、传感器体积小、抗腐蚀性强、后期维护成本低等优点，受到了人们的广泛关注。另外，分布式光纤传感系统还可以结合模式识别算法实现更低的误警率并对信号类型进行判别，满足人们对安防越来越高的要求的同时更加人性化、智能化，也成为了未来智能环境感知与周界安防系统的主要发展方向之一[3]。1.2分布式光纤传感器概述在20世纪60年代，世界上第一款光纤传感器获得了专利许可，大约在20世纪70年代，研究人员开发出了首款内在光纤传感器。相比自由空间传感器，光纤传感技术可以提供更明显的工程效益，通过光纤传感技术获得的机械测量结果更为可靠。20世纪80年代，光纤陀螺仪成功实现商用化，这也成为了最早的光纤传感器应用之一。20世纪90年代初，多种不同种类的光纤传感器再民用领域得到广泛应用，如测量环境温度、压力大小，对应变实现传感等。21世纪00年代初，分布式光纤传感技术出现在了世人眼前，其将传感光纤沿被测区域排布，实时监测光纤中光信号的变化情况，从而获得被测区域的环境信息。如今，分布式光纤传感技术在一代又一代科研人员的努力下日趋成熟，基于背向瑞利散射的分布式光纤传感器也逐渐具备了优于传统电电阻式应变片的性能，并在诸多领域受到了大众的广泛认可。分布式光纤传感器具备测点密度极高，精度高，质量轻，电绝缘，重复性好，耐腐蚀的特点，在近海石油平台、油井、大坝、堤坝、桥梁、建筑物、隧道、电缆等大型结构的应力应变和温度监测、液体或天然气管道渗漏探测、交通运输和路面的结冰探测、火情或过热温度安全探测、电力电缆监视等领域具有重要的应用价值。分布式光纤传感技术可以根据光纤中光的散射原理分为以下三类：基于瑞利散射的分布式光纤传感技术，基于布里渊散射的分布式光纤传感技术和基于拉曼散射的分布式光纤传感技术。1.2.1基于布里渊散射的分布式光纤传感技术在常温下，介质中组成该介质的自由粒子会进行自发热运动，并形成连续的弹性力学振动，并引起介质密度随时间和空间周期分布，从而在介质中形成自发的声波场[4-6]。光在光纤中传输时，入射光波会与声波场发生相互作用，并产生一种非线性的散射，这种散射就是自发布里渊散射，这样的散射光相比入射光存在频率漂移，被称为自发布里渊散射光。在不同的光纤中，同样的外界条件如应变、温度造成的布里渊频移存在差异，但总体趋势保持一致，即应变或温度与布里渊频移成正比。据此，Horiguchi等人在1989年提出了基于受激布里渊散射放大效应的BOTDA技术[7]。在BOTDA技术中，从光纤一端射入脉冲光，另一端射入连续光，该连续光的频率与脉冲光的频率差值约为一个布里渊频移，由于受激布里渊效应，两路光的能量会发生转移[8]，通过改变脉冲光和连续光的频率差并对两者之间能量转移的情况进行探测来确定布里渊频移，再利用光时域反射原理来确定光纤中发生布里渊频移的位置，即可获得光纤沿线各点的应变和温度信息[9]。T.Kurashima等人在1993年首次提出了利用光纤中的自发布里渊散射实现传感的BOTDR技术[10]。该技术仅需从光纤的一端入射脉冲光，并在光纤同一端对脉冲光进行探测，依据其自发布里渊散射光谱的情况进行传感[11-12]。截至目前，围绕基于布里渊散射的光纤传感技术研究已经展开了三十多年，包括对期传感原理的研究，对其性能指标提升方法的研究等，同时也对BOTDA和BOTDR技术在桥梁、海底缆线检测、水坝、油气管道泄漏监测等方面的应用情况展开了广泛而深入的研究。1.2.2基于拉曼散射的分布式光纤传感技术在光纤中，入射光子吸收一个光学声子成为反斯托克斯拉曼散射光子，并释放一个光学声子成为斯托克斯拉曼散射光子[13]，分子在相应的两个振动态之间完成跃迁。光纤振动能级的粒子数分布受到温度状态影响并服从玻尔兹曼热分布规律，而光纤振动能级的粒子数分布又会影响拉曼散射光强度，因此光纤的温度状态会对自发拉曼散射光的强度产生影响，特别是反斯托克斯拉曼散射有明显的温度效应，将这种效应与光的时域反射原理相结合，发明了分布式光纤拉曼温度传感器。自英国在20世纪80年代研发出全分布式光纤拉曼温度传感器以来[14]，分布式光纤拉曼温度传感技术日趋成熟，国内外进行了广泛的有关拉曼光时域反射技术、拉曼光频域反射技术的研究，研制出了各种不同类型的产品，并被逐渐运用在智能电网、地铁、公路、油井[15]、石油管道[16]的监测中。1.2.3基于瑞利散射的分布式光纤传感技术图1.1光纤中瑞利散射示意图由于光纤内部存在许多线性度比入射光波波长更小的微小颗粒，当光在光纤中传输并遇到这些非均匀分布的微粒时，会产生瑞利散射光。瑞利散射是弹性散射的一种，入射光波的频率不会被改变，即其波长与入射光相同，不同方向的散射光其散射强度也不同，但均与入射光波长的四次方成反比。散射光具有偏振性，入射光与散射光的夹角决定了散射光的偏振程度。如图1.1所示光在关系光纤中传输时，会在沿线不断产生背向瑞利散射光。光纤中瑞利散射光的功率PR可以表示为[17]： 其中，P为入射的脉冲光峰值功率；S为背向散射光功率捕获因子，n为光纤纤芯的折射率，r为模场半径，为入射光波的波长，；为瑞利散射系数；v为光在光纤中传播的速度。由式GOTOBUTTONZEqnNum581829REFZEqnNum581829\*Charformat\!(1-1)可知，瑞利散射光的功率与引起散射的光的功率成正比。又光纤作为一种极低损耗的通信器件，其损耗特性可以表示为[17]： 其中，Pin为入射光的光功率，为光纤的衰减系数，L为传输的距离。由此可知，光在光纤中传输时携带的能量会随传播距离的增大而逐渐减小，因此可以对接收端收到的瑞利散射信号进行处理得到光路上的损耗信息。并且，由于瑞利散射光与引起散射的光波拥有相同的偏振态[18]，瑞利散射光信号也反映了该位置光波的偏振情况。因此，在接收端可以通过对返回光纤入射端的瑞利散射光信号进行解调，检测其光功率及偏振态信息，推测导致光纤中光传输质量出现问题的原因，从而对光传输沿线光纤受到的外界作用如弯折、应力等情况进行监测。相比光纤中的另外两种散射：布里渊散射和拉曼散射，瑞利散射具有更大的能量，也使它更容易被探测，目前也已经有了许多对基于瑞利散射的分布式光纤传感器进行的研究。目前主要的技术包括光时域反射（Opticaltimedomainreflectometry,OTDR）技术、相干光时域反射技术、偏振光时域反射技术、光频域反射技术、偏振光频域反射技术等。1.3Φ-OTDR传感技术的研究现状Φ-OTDR（Phase-sensitivityopticaltimedomainreflectometer，相位敏感型光时域反射计）技术是OTDR技术的一种，相比于常规的OTDR，其将OTDR系统中的普通光源替换为具有高相干性的窄线宽光源。考虑到Φ-OTDR的原理是探测瑞利散射光的情况，相比于探测布里渊散射光和拉曼散射光的传感系统来说，可探测到的光功率更强，所以这种瑞利散射型的传感系统可以在光源发射功率更小的情况下实现传感。并且进行后续数据处理时，经过较少次数的平均处理便可得到具有相对较高信噪比的结果，这使得Φ-OTDR拥有了比其他散射型传感系统更快的响应速度，从而适应待测参数高速变化的情况，实现远距离动态监测。另外，Φ-OTDR利用光纤上的相位变化造成散射光相干干涉后的结果也随之变化的基本原理，通过监测散射光强度变化的情况，实现对外界扰动的监测。又因为光纤具有高度的相位敏感性，可以对外界的微小变化实现感知，实现对微米量级变化的监测，这决定了Φ-OTDR具有高灵敏度的特性[19]。自从HFTaylor等人[20]在1993年提出Φ-OTDR技术以来，便受到了广泛关注。Φ-OTDR在周界入侵监测方面的应用在1994年被Juskatis等人首次提出[21]。2010年，YLu等人采用外差检测的方法提高振动信号的信噪比，采用移动平均法和移动差分法降低噪声功率，提高系统的频率响应范围，并对铅笔断裂产生的扰动信号进行了检测[22]。2012年，ZengguangQin等人提出了一种小波去噪的方法降低时域噪声，有效提取外界干扰引起的信号变化，成为了提升Φ-OTDR系统性能的有力工具[23]。2013年，AMasoudi等人采用交叉乘分解的解调方法解决了信号衰落的问题，实验结果表明该传感器能够在500~5000Hz的频率范围内以2m的空间分辨率同时测量传感光纤1km范围内多个扰动点的振幅和频率[24]。2014年，XiaonanHui等人通过并行计算缩短了系统的响应时间，并实现了对传感光纤沿线频谱信息的实时分析[25]。2016年，AMasoudi等人通过使用窄带布拉格光栅滤除EDFA中的自发辐射噪声，提高了系统的灵敏度，频率分辨率被提升至5Hz[26]。2018年，Yonas等人提出了一种Φ-OTDR动态相位测量方案，通过采用双脉冲探针和一个带宽为125Mhz的简单直接