基于布里渊散射光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

1.引言

光导纤维在通信系统中的应用早已为人熟知，如今全世界高速便捷的网络也离不开光纤的发展。除了光纤通信以外，还有另一类针对光纤的重要研究方向——光纤传感。

与传统的电类传感器相比，光纤传感器具有抗电磁干扰、重量轻、易于嵌入、成本低等优点。这些优势使得光纤传感技术在实际工程中的应用拥有非常乐观的前景。例如，在一些环境恶劣，如强磁场的检测条件下，电类传感器可能无法正常工作或者损坏，但是光纤传感器受到外界影响较小，仍能保持稳定的工作状态。在对建筑结构的检测中，光纤传感器同样是较佳的选择。由于光纤本身重量轻且纤细，可以方便地分布在建筑结构中，对结构的各个部位进行全面的监控。另外光纤嵌入后不会对结构造成较大的影响，使结构保持其原有的状态。

分布式光纤传感是光纤传感技术中的一个研究热点，其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，即是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是分布式传感中的研究热点，因其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，在实际应用中亦有广阔的前景。本文仅关注其中的一种——布里渊光时域反射技术(Brillouin Optical Time-domain Reflectometry, BOTDR)。布里渊光时域反射技术是最简单的一种形式，其空间分辨率、测量精度等不如其他更为复杂的布里渊传感技术，但是拥有更简单的系统结构和单端测量的优势，且其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。

由于布里渊光时域反射技术测量的是自发布里渊散射，其信号微弱，信噪比较低。并且其各项性能指标之间相互制约，难以得到同时提高，例如空间分辨率和频移精度之间存在的权衡问题。为了试图解决或改善这些问题，本文对其重要的性能参数进行详尽分析，将对布里渊光时域反射技术中的信号处理技术和编码

方法进行深入研究，以进一步提升BOTDR 系统的性能。

所有的布里渊传感分布式技术皆以获得光纤上不同位置处的布里渊散射信息为手段，获知布里渊散射信息对应的被测传感量。不论其基本原理是从时域，频域还是相干域入手，最终都需要转换到光纤沿线空间域，获得“不同位置处”的布里渊散射信号，即所谓的“分布式”测量。

2. 基于布里渊散射的分布式光纤传感分类

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(signal -to -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历史发展看，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，也是本论文将要研究的重点内容。其基本原理如图2-1所示。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B f f 的背向spBS 信号，其中B f 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(~10ns)，一般不低于1m 。目前已经报道的空间分辨率小于1m 的BOTDR 系统很少，一种方法是采用“双脉冲”相干的方法，得到了20cm 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50m 的空间分辨率下实现150km 的传感距离[7]。编码的方法也被引入到BOTDR 系统中，有效地提高了系统的SNR 。

图2-1 BOTDR 基本原理

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。其基本原理如图2-2所示。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B f f ±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B f f ±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B f f -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B f f +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1m 。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25cm 的空间分辨率，使用50/49ns 的脉冲差分可以获得0.18m 的空间分辨率[5]。另外，采用预泵浦脉冲的方法可以达到10cm 的空间分辨率[16]，采用暗脉冲的方法可以达到2cm 的空间分辨率。

图2-2 BOTDA 基本原理

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复杂。其特点是较高的空间分辨率和测量速度，但是传感距离较短，可应用于小型结构或智能材料中的应力分析或温度测量。该技术的基本原理如图2-3所示。光纤两端分别注入中心频率为f 的泵浦光和中心频率为B f f 的探测光，一般以频率m f 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m f ，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1km 光纤上实现了7cm 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1.6mm 的极限分辨率；通过使用非平衡Mach -Zehnder 延迟线实现了1kHz 的采样率。