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
兆赫兹到几百兆赫兹的较低频率，而由瑞利散射光产生的信号频率为，为11GHz 左右的微波频率。

两信号频率差异很大，因此
容易从总的光电信号中取出布里渊散射光信号。

相干光电信号再由基于BOXCAR 的电处理系统进行信号处理，得到自发布里渊散射光频移，从而可计算得到沿光纤的温度或应变分布，LO 为电本振信号。

PH R pump ref B v v v −=−≈v
（2）BOTDA 系统
BOTDA 技术最初是由Horiguchi 等人提出来的，基于该技术的光纤分布式传感器典型结构如图二所示。

图 二
如上图所示，BOTDA 通过光时域分析方式，即两束相向传输的脉冲激励光（频率为）和直流探测光（频率为）之间的受激布里渊散射，检测探
测光可得到传感光纤的布里渊散射增益。

传感光纤中的布里渊散射增益取决于激励光与探测光之间的频差（pump v probe v pump probe v v −）和光纤的布里渊频移（），当激励光
和探测光之间的频差与布里渊频移一致时，受激布里渊散射作用最强，探测光功率变化最大。

和激励光作用后的探测光由光电检测器探测，再由基于累加平均器（BOXCAR ）的电处理系统进行信号处理，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（1）～（3）式，计算得到沿光纤的温度或应变分布。

B v BOTDA 系统的显著特点是动态范围大, 测量精度高。

但系统较复杂, 需要
使用两台激光器在被测光纤两端同时进行测量, 因而给实际应用带来一定的困难。

该技术不能测断点, 。

（3）BOFDA 系统
BOFDA 即分布式光纤传感技术。

是1997年由德国D.Garus 等提出的一种新型的分布式光纤传感技术。

系统实验框图如图三所示。

图 三
BOFDA 同样是利用布里渊频移特性来实现温度应变的传感, 但其被测量空间定位不再是传统的光时域反射技术, 而是通过得到光纤的复合基带传输函数来实现的。

因此传感光纤两端所注入的光为频率不同的连续光, 其中探测光与抽运光频差约等于光纤中的布里渊频移量S P B f f f −=。

探测光首先经过调制频率
m f 可变的电光调制器进行幅度调制, 调制强度为注入光纤的探测光和抽运光在
光纤中相互作用的边界条件。

对每个不同的调制信号频率m f ，都对应着一个探
测光功率和抽运光功率。

调节m f 在耦合器的两个输出端同时检测注入光纤的探
测光功率和抽运光功率, 通过和检测器相连的网络分析仪就可以确定传感光纤的基带传输函数。

利用快速傅里叶逆变换（IFFT ）由基带传输函数即可得到系统的实时冲激响应, 便反映了光纤沿线的温度/应变等的分布信息。

在BOFDA 系统中，系统的空间分辨率由调制信号的最大（）和最小（.max m f .min m f ）调制频率决定，最大传感距离由调制信号频率变化的步长m f Δ决定。

基于上述原理，D.Garus 等人做了基于BOFDA 分布式光纤传感系统实验方面的研究，并取得了温度分辨率5℃、频率分辨率0.01%和空间分辨率3m 的实验结果。

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（4）基于布里渊光相关域的分布式光纤传感系统；
布里渊光相干域分析（BOCDA ）基于连续探测光和抽运光经频率调制后的相互作用。

利用BOCDA 能够访问任何被测位置，具有较高的空间分辨率（1cm ）和较高的测量速度（57Hz ）。

BOCDA 系统的空间分辨率由光源的调制参数（幅值和频率）决定。

图 四
（a ）BOCDA 系统工作原理
（b ）拍频锁定探测技术原理
BOCDA 系统的工作原理是：对抽运光和探测光分别施加正弦波频率调制，如图四（a ）所示，当抽运光和探测光的频差保持为一常数（即偏移量△n ）时，沿传感光纤会产生周期性的尖锐相关峰。

在布里渊频率附近扫描频差△n ，可
获取相关峰位置的布里渊增益谱（BGS ），而其它位置的布里渊增益谱线都可被忽略。

分别用B n m f 和△f 表示光源的调制频率和调制幅值，则测量范围（相关峰之间距离）及空间分辨率△z 为
m d /2m g d V =m f , (4)
△z 2g B
m V n f f πΔ=Δ. (5) 式中g V 表示光群速，表示光纤中布里渊增益带宽（30-50MHz ）。

由(4)、(5)式可见，测量范围与分辨率之间的比值只与B n Δf Δ有关。

因此为提高同一测量范围内的空间测量分辨率就需要增大调制幅值。

但当f Δ＞/2时，会产生抽运光与
B n
探测光光谱叠加的问题，此时没有光学滤波器件能够选择性地移除抽运光的后向反射部分。

目前可通过分别对抽运光和探测光采用不同频率的锁定探测来解决这一问题。

通过在系统中引入新的拍频锁定探测技术使得BOCDA 系统的空间测量分辨率理论上可达到1.6mm ，测量范围约为5.3m 。

该技术在系统中将两个斩波器以不同频率分别应用于抽运光和探测光，并采用一个两斩波器拍频频率的的锁定放大器。

该技术原理如图四(b)所示。

由于只有放大的探测光波含有较多的拍频成分，因此通过这一技术能够去除抽运光波的反射部分并提取出信号，无需光学滤波器件。

图五 采用拍频锁定方案的BOCDA 系统实验装置
实验装置如图五所示。

采用波长1550nm 的三电极激光二极管（LD ）作为光源，配有推拉型电流调制模块。

为补偿大电流调制导致的强度啁啾，在LD 后接入一强度调制器(IM)，产生的对称谱形如图五中插图A 所示。

IM 的输出通过2km 延迟光纤后直接用作布里渊抽运光，控制相关峰的顺序。

采用一个高能掺铒光纤放大器将抽运光能量增强到1W 。

探测光通过单边带调制器产生，采用微波发生器及适当的直流偏置控制来抑制载波及两个一级边带的较高频率成分，保持
抽运光与探测光之间稳定的频率偏移量△v 。

单边带调制器后接入一个偏振开关，依次设定为两个相互正交的偏振，求连续两次测量值的平均值，以抑制偏振相关的布里渊增益波动。

两个电光调制器（EOM ）分别用作抽运光和探测光的斩波器，对应抽运光的斩波频率为5.018MHz 。

对应探测光的斩波频率为1.229 MHz 。

采用125 MHz 的光电二极管作为探测器，接受经拍频频率为3.789 MHz 的锁定放大器后的布里渊增益谱数据。

LD 的调制频率m f 根据测量位置不同设为19.4～
19.5MHz ，频率调制幅值△f 约为33 MHz ，远大于常用光纤的布里渊频率（约10.8GHz ）
B v BOCDA 系统的优点是测量时间短，空间分辨高，但是它的测量距离有限制，不能实现长距离监测。

三发展趋势
布里渊散射的分布式光纤传感器继承了分布式光纤传感器的优点, 对于单一分布参数的测量有很高的精度和空间分辨率。

但目前各种利用布里渊散射技术的分布式光纤传感器还只是主要集中在温度和应变的测量上, 而且目前从理论和实验方面研究同时测量温度和应变还刚刚起步, 同时测试更多的信息还是空白。

用一套布里渊散射的分布式光纤传感器来同时测试多种分布信息是提高传感器性价比的很有价值的措施。

现在对于布里渊散射的分布式光纤传感器的研究也还只是基于单根光纤并只是在光纤轴向上探测信息的一维传感器, 随着探测范围和信息量的增大以及布里渊散射分布式光纤技术的不断成熟, 检测精度的不断提高, 利用布里渊散射信息将能够在三维上检测光纤沿线的各种信息分布, 并可将该技术成功应用于智能网络监控系统。

这也将极大地推动智能复合材料、智能结构等的发展。

同时随着布里渊散射分布式光纤传感技术的不断成熟, 温度应变测量范围和精度的不断提高, 对于信号处理技术和算法的要求也越来越高, 这也是光纤传感器技术中待解决的一个重要问题。