布里渊散射分布式光纤传感器综述

基于布里渊散射的分布式光纤传感器综述

一引言

光纤传感器具有无辐射干扰、抗电磁干扰性好、化学稳定性好等优点，受到越来越多的重视。其中分布式光纤传感器（DOFS）不仅具有一般光纤传感器的优点，而且可以在沿光纤的路径上同时得到被测量场在时间和空间上的连续分布信息。能做到对大型基础工程设施的每一个部位都象人的神经系统一样进行远程监控。因此具有广范的应用前景，在民用和国防诸如城市煤气管道、城市输电/通信缆线、海底输油气管道、海底电缆、水库水坝、桥梁、隧道、高速公路、大型设施等建筑物的应力温度检测方面有独特的优势，因此受到越来越多的重视。

由于分布式光纤传感器具有其它传感技术无法比拟的优点，因此成为目前传感技术研究领域的热点之一。目前对它的研究主要集中在以下三个方面：（1） 基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。

瑞利散射是入射光与介质中的微观粒子发生弹性碰撞所引起的，散射光的频率与入射光的频率相同．在利用后向瑞利散射的光纤传感技术中，一般采用光时域反射（OTDR）结构来实现被测量的空间定位，基于瑞利散射的研究已经趋于成熟, 并逐步走向实用化。基于后向瑞利散射的传感技术是现代分布式光纤传感技术的基础，它在80年代初期得到了广泛的发展．然而由于该技术难以克服测量精度低、传感距离短的缺陷，目前在这方面的研究已鲜有报道．拉曼散射DOFS利用的是光纤中的自发拉曼散射光，信号微弱，较自发布里渊散射信号约低一个数量级，因此传感性能较低且难以实现几十公里以上的长距离传感；另外拉曼散射只对温度敏感，难以用于地质、建筑结构等的健康检测。而光纤的布里渊散射对温度和应变都敏感，通过检测来自传感光纤的布里渊散射光的频移和强度，布里渊散射DOFS得到沿光纤分布的温度或应变信息；并且工作于1.55μm波长附近的布里渊散射DOFS，光信号受到的衰减和色散较小，从而使得布里渊散射DOFS适合于长距离（大于几十千米）分布式传感。

虽然基于布里渊散射的分布传感技术的研究起步较晚, 但由于它在温度、应变测量上达到的测量精度、测量范围以及空间分辨率均高于其他传感技术, 因此这种技术目前得到广泛关注与研究。

布里渊散射DOFS主要有布里渊光时域反射计（BOTDR）、布里渊光时域分析（BOTDA）、布里渊光频域分析（BOFDA）三种，由于具有不同的光信号处理结构和布里渊散射作用机制，因此他们具有不同的性能特点和适用场合。另外日本的保利和夫教授提出的基于基于布里渊相关域分析（BOCDA、BOCDR）的光纤传感技术也有自己独到的地方。

基于自发布里渊散射的BOTDR，拥有单端光信号处理的优点，但由于自发布里渊散射光较微弱，传感器的分辨率和响应时间受到很大的制约。

基于受激布里渊散射的BOTDA，具有检测信号较强的优点，相对于BOTDR，传感器的分辨率和响应时间可得到有效的改善，但BOTDA一般需要对传感光纤的两端进行光信号处理，使用场合受到一定的限制。

基于布里渊光频域分析的BOFDA，和BOTDR、BOTDA相比，BOFDA同

样是利用布里渊频移来实现温度和应变的传感，但被测量空间定位不是传统的光时域反射法，而是通过得到光纤的复合基带传输函数来实现的。由于不采用光时域反射法来实现空间定位，因此传感光纤两端所注入的光为频率不同的连续光，其中探测光与激励光的频差约等于传感光纤的布里渊频移。

二 传感原理和系统

1 传感原理

布里渊散射DOFS 利用的是光纤的布里渊散射。由于介质分子内部存在的一定形式的振动, 引起介质折射率随时间和空间周期性起伏, 从而产生自发声波场。光定向入射到光纤介质时受到该声波场的作用则产生布里渊散射。在普通石英单模光纤中,布里渊散射光的频移与光纤的有效折射率和超声声速有关。而温度和应力都能改变光纤的折射率和超声声速,只要检测光纤中布里渊频移的变化,就可以得到温度或应力在光纤上的分布。实验发现布里渊散射光功率,随温度的上升而线性增加, 随应变增加而线性下降。布里渊频移 和温度T ,应力ε的关

系为

B v ()(0)[1]B B v v

C εεε=+， （1）

()()[1()]B B r T v T v T C T T =+−r K ， （2）

式中为参考温度, , r T 4.6C ε=5

19.410T C −−=×分别为应力和温度的比例系数。

对于T = 300 K,光波长工作在 1.55m λμ=附近的普通单模光纤,布里渊频移变化为

B v vT v

C C εεT δδδ=+， （3）

式中0.04830.0004/v C εMHz με=±为应变频移系数，(1.100.02)/vT C MHz K =±为

温度频移系数。

从(1) ～ (3) 式可看出,温度和应变对布里渊散射光的频移作用是一样的。因此，在布里渊光时域分析分布式光纤传感器中，通过光时域分析方式检测探测光，得到激励光与探测光之剑的特定光频差下的探测光功率信号，由探测光功率信号得到传感光纤的布里渊散射增益，再由布里渊散射增益大小的分布可得到传感光纤的布里渊频移，最后根据频移和传感量的关系计算得到沿光纤分布的温度或应变。

2 传感系统方案

（1）BOTDR 系统

基于BOTDR 的分布式光纤传感技术与在光纤测量中广泛应用的光时域反

射（OTDR ）技术相似。在OTDR 中，从光纤的一端发射一个脉冲，同时在发射端检测背向瑞利散射信号，发送脉冲与接收到散射信号的时间延迟与光在传感光纤中的速度的乘积可以提供光纤检测的位置信息，通过测量散射信号的强度就可以得到光纤的衰减情况。在BOTDR 中测量的是布里渊散射信号，与布里渊散射光频率相关的光纤材料特性主要受温度和应变的影响，因此，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。

布里渊散射的强度极其微弱,相对于瑞利散射来说要低大约两三个数量级, 而且相对于散射光来说布里渊频移很小（对于一般光纤1550nm 时约11GHz 左右）, 检测起来较为困难。通常采用的检测方法有直接检测和相干检测两种。对于布里渊散射信号的直接检测需要将微弱的布里渊散射光从瑞利背向散射光中分离出来。测量布里渊谱线的传统方法是利用F-P 干涉仪, 但由于干涉仪工作稳定性差, 插入损耗较大, 且布里渊散射光强度较弱, 测得的布里渊频移往往不够准确。而光相干检测方法一方面可通过光相干来直接放大检测信号，另一方面可使用电滤波来区分自发布里渊散射光和瑞利散射光，是一种较为有效的信号处理方法。

图 一

如图一所示，激励光的频率为，其在传感光纤中产生的布里渊散射光频

率为-，瑞利散射光频率为；参考光频率为，为了相干信号电子

处理方便，其大小一般和-相近；散射光和参考光相干接受后产生的光电

信号中，由布里渊散射光产生的信号频率为pump v pump v B v pump v ref v pump v B v ()PH B pump B ref v v v −v =−−，一般为几十