基于布里渊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
张博
【摘要】阐述了基于布里渊散射分布式光纤传感技术的原理和分类，简要介绍了BOTDR （布里渊光时域反射）、BOTDA （布里渊光时域分析）、 BOCDA （布里渊光相干域分析技术）、 BOCDR （布里渊光相干域反射技术）、 BOFDA （布里渊光频域分析技术）原理及应用进展。

%This paper illustrate to the sensing principle and classification of Brillouin scattering distributed optical fiber sensor. Principles of the Brillouin scattering distributed optic fiber sensor as well as of BOTDR sensor, BOTDA sensor, BOCDA sensor, BOCDR sensor, BOFDA sensor that based on OTDR are illustrated.
【期刊名称】《科技创新与生产力》
【年(卷),期】2015(000)004
【总页数】3页(P76-78)
【关键词】布里渊散射;分布式光纤传感;空间分辨率;测量精度
【作者】张博
【作者单位】太原市电子研究设计院，山西太原 030003
【正文语种】中文
【中图分类】TP212.9
现代通信技术中早已离不开光导纤维，便捷快速的网络世界依然离不开光纤的应用和发展。

但是除了通信以外，光纤另一方面的研究也非常重要，那就是光纤传感。

光纤传感器有着体积小、抗干扰、易嵌入、价格低等特点，使得相对于传统的电类传感器有着明显的优势，同时又在实际的工程中有着非常好的应用前景。

比如，在一些强风、超低温、强磁场的条件下，传统的传感器可能存在无法使用，但光纤传感器的特性使它受到的影响非常小，依然可以保持稳定的工作。

同样，对于建筑中各类基坑的监测，光纤传感器也是绝佳的选择。

因为光纤的易嵌入性和轻巧型，可方便地分布在其基坑的建筑结构中，保持其结构特性且不受影响。

分布式光纤传感的优势是能够测试光纤沿线各点处的传感参量。

虽然一般情况下其测试精度不如高精度的点式传感器，如光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG），但是其利用光纤的特性真正实现了“全分布式”的传感。

前述对建筑结构的检测，即分布式光纤传感的一个重要应用。

基于布里渊散射的分布式传感技术能够对应变与温度实现较高精度的单参量或双参量同时测量。

布里渊光时域反射技术（Brillouin Optical Timedomain Reflectometry,BOTDR）是最简单的一种形式，其空间分辨率、测量精度等不如更为复杂的布里渊传感技术，但是它拥有更简单的系统结构和单端测量的优势，且性能指标已经可以满足许多应用的要求，因此在实际应用中更受欢迎。

基于布里渊散射的分布式传感技术可分为两大类：基于受激布里渊散射（Stimulated Brillouin Scattering，SBS）的技术和基于自发布里渊散射的技术（Spontaneous Brillouin Scattering，SPBS）。

基于分析技术的传感器或传感系统一般有较好的性能，因为基于SBS的系统有较高的信噪比（Signalto-Noise Ratio，SNR），从而使其信号探测和信号处理较为简单，但是分析技术一般需要从光纤两端同时探测；另一方面，基于SPBS的反射技术信号较弱，需要复杂的信号处理方法，但是其优点是只需在光纤的一端探测，并且在光纤断裂的时候仍可测量从探测端到断点之间的光纤，总体来说，相比于反射技术，分析技术的研究工作获得了更多的关注。

如果从布里渊分布式传感技术的发展历史看，分析技术在引领
潮流而反射技术一直在跟随分析技术的发展。

换言之，在分析技术中已被验证的技术或方法往往被尝试采样到反射技术中。

2.1 布里渊光时域反射技术（BOTDR）
BOTDR是利用探测SPBS来实现传感的布里渊分布传感技术，也是文中将要研究的重点内容。

其基本原理见图1。

通过在光纤一端注入频率为f的脉冲光，可以获得中心频率为f-fB的背向SPBS信号，其中 fB为布里渊频移（Brillouin Frequency Shift，BFS）。

对这一微弱的信号进行探测和信号处理后，即可通过SPBS的频移或强度等参量实现对温度或应变的分布式传感。

现有BOTDR中，采用相干自外差的探测方式是最普遍的，因为这一方式不仅可以极大地提高信号的强度，还可把光信号方便地转移到较低的中频频率上进行信号处理。

传统的BOTDR系统空间分辨率受制于声子寿命（~10 ns），一般不低于1 m[1]。

目前已经报道的空间分辨率小于1 m的BOTDR系统很少，一种方法是采用“双
脉冲”相干的方法，得到了20 cm的空间分辨率。

在传感距离的提升方面，可以
采用Raman放大的方案，已经在50 m的空间分辨率下实现150 km的传感距离[2]。

编码的方法也被引入到BOTDR系统中，有效地提高了系统的SNR。

2.2 布里渊光时域分析技术（BOTDA）
BOTDA是基于SBS的布里渊光时域分析技术。

其基本原理见图2。

在光纤的一端注入频率为f的脉冲光，在另一端注入频率在f±fB附近的连续光。

在脉冲到达的
位置处，脉冲和连续光会产生SBS，从而使得连续光在该位置处获得增益或衰减，不同位置处连续光的功率变化在时域上被探测到。

连续光频率在f±fB附近变化，即可获得整条光纤沿线的布里渊增益谱，通过对增益谱中心频率的测定，即可实现分布式的温度或应变传感。

BOTDA可以分为增益型和损耗型。

增益型BOTDA测试的是连续光的布里渊增益
谱，频率为f的脉冲作为泵浦，频率为f-fB的连续光作为斯托克斯光，即光功率
从脉冲向连续光转移，在这种方式下脉冲功率会逐渐耗尽。

损耗型BOTDA测试的是连续光的布里渊损耗谱，频率为f的脉冲作为斯托克斯光，频率为f+fB的连续
光作为泵浦，即光功率从连续光向脉冲转移，这种方式下脉冲的功率逐渐增强，即相比于增益型BOTDA，可以获得更长的传感距离。

因此，目前损耗型的BOTDA
是最常见的方案。

BOTDA系统同样受到声子寿命的限制，即空间分辨率一般不低于1 m。

但是与BOTDR不同的是，研究者已经在BOTDA中开发出了大量可以提升其性能的方法，其中很多方法已经为人所熟知。

例如，采用精细的信号处理方法对频谱进行分析可以得到25 cm的空间分辨率，使用50/49 ns的脉冲差分可以获得0.18 m的空间分辨率。

另外，采用预泵浦脉冲的方法可以达到10 cm的空间分辨率，采用暗脉
冲的方法可以达到2 cm的空间分辨率。

2.3 布里渊光相干域分析技术（BOCDA）
BOCDA是基于光学相干的布里渊分布式传感技术，应用了光学相干函数合成（Synthesis of Optical Coherence Function，SOCF）的原理。

其系统与基于
时域的传感技术相比较为繁杂。

主要特性是空间分辨率普遍偏高，还有其测量的速度，以及较短的传感距离，可应用于小型结构或智能材料中的应力分析或温度测量[3]。

该技术的基本原理见第78页图3。

光纤两端分别注入中心频率为f的泵浦光和中心频率为f-fB的探测光，一般以频率fm的正弦波对两束光进行相同的频率
调制。

依据SOCF的原理，在光纤中会出现周期性的相干峰，即在相干处有较强
的SBS效应，而在非相干处SBS效率最低。

若调整参数使得光纤中只留一个相干峰，则实现了对某一点的传感。

通过调整调制频率fm，可以改变相干峰的位置，即实现对整条光纤的传感。

由于采用了连续光，空间分辨率不再受到声子寿命的限制。

同样有若干方法来提升BOCDA系统的性能。

例如，通过强度调制可以提升系统
的SNR；通过时间窗的方法延长了传感距离，在1 km光纤上实现了7 cm的空间分辨率；通过使用单边带的调制器和双锁模放大器，实现了1.6 mm的极限分辨率；通过使用非平衡Mach-Zehnder延迟线实现了1 kHz的采样率。

2.4 布里渊光相干域反射技术（BOCDR）
BOCDR原理与BOCDA类似，是基于SPBS的反射技术，原理见图4。

依据SOCF原理，SPBS信号和参考光的外差探测给出部分相干的结果，即选出了相干
峰处的布里渊散射信号。

在这一系统中，实现了13 mm的空间分辨率以及19 Hz 的采样速率。

通过加时间窗的方法，在1 km光纤上达到了66 cm的空间分辨率
和50 Hz的采样率；通过双调制的方法，在1.5 km光纤上实现了27 cm的空间
分辨率。

可以看到基于SPBS的系统性能逊于基于SBS的系统[4]。

2.5 布里渊光频域分析技术（BOFDA）
BOFDA从频域的角度实现分布式传感，其基本原理见图5。

为了得到布里渊散射的分布式信号，只需得到信号的频率响应，即可通过逆傅里叶变换获得时域信号。

这种方法中同样采用了连续光，故空间分辨率不会受到声子寿命（~10 ns）的限
制[5]。

对在光纤一端注入的泵浦光使用正弦信号进行强度调制，调制频率fm，另一端注入直流的探测光，频率在f-fB附近。

通过在整条光纤上的SBS过程，直流探测光获得了与泵浦光相同的调制频率。

通过改变调制频率fm和对矢量分析仪的分析，即可由探测光获得整条光纤的频响。

在信号处理端采用反傅里叶变换（IFFT）即可恢复出时域信息。

BOFDA可以达到cm量级的空间分辨率，但是只能有数百米的测量距离。

通过以上的简单介绍，可以看到这5种不同的布里渊分布式传感技术，都是基于SPBS的反射技术性能一般逊于基于SBS的分析技术。

这是因为SPBS信号比较弱，增加了精细测量的难度。

但从基于SBS的分析技术从应用角度看，系统结构复杂，
成本较高，光纤出现断裂就会导致传感系统无法工作。

而基于SPBS的反射技术以其系统结构简单、可实现单端测量的优势，在实际工程应用中更受青睐。

【相关文献】
[1]ZOU L,BAO X,AFSHAR S V,et al.Dependence of the Brillouin frequency shift on strain and temperature in a photonic crystal fiber[J].Opt.Lett,2004(29):1485-1487.
[2]杨兴红.BOTDR系统中的SBS效应及其传感应用的理论研究[D].北京:华北电力大学,2009:5-8.
[3]柏贞碟.基于合成光学相干函数的分布式光纤传感系统的研究[D].杭州:浙江大学,2013:6-10.
[4]MIZU NO Y,ZOU W W,HE Z Y,et al.Proposal of Brillouin optical correlation domain reflectometry(BOCDB)[J].Opt.EXPRESS,2008,16(16):12149-12150.
[5]周会娟.基于自发布里渊散射的分布式光纤传感关键技术研究[D].长沙:国防科学技术大
学,2008:8-10.。