根据瑞利散射的分布式光纤传感技术

光纤中的散射光

当光（电磁）波射入介质时，若介质中存在某些不均匀性（如电场、相位、粒子数密度n、声速v等）使光（电磁）波的传播发生变化，有一部分能量偏离预定的传播方向而向空间中其他任意方向弥散开来，这就是光散射。光的散射现象的表现形式是多种多样的，从不同的角度出发，可有不同的分类，但从产物的物理机制来看，可以分为两大类：

第一类是非纯净介质中的光散射，该散射现象不是介质本身所固有的，而强烈地依赖于掺杂进来的散射中心的性质或介质本身的纯净度。其规律主要表现为：散射光的频率与入射光的频率相同；散射光的强度与入射波长成一定关系。

第二类是纯净介质中的散射，即使所考虑的介质是由成分相同的纯物质组成，其中不含有外来掺杂的质点、颗粒或结构缺陷等，仍然有可能产生光的散射现象，这些散射现象是介质本身所固有的，与介质本身的纯净度没有本质上的关系。属于这类纯净介质的散射现象有如下几种：

1）瑞利散射设介质是由相同的原子或分子组成，由于这些原子或分子空间分布的随机性的统计起伏（密度起伏），造成与电极化特性相应的随机性起伏，而形成入射光的散射。这种散射现象的特点是频率与入射光频率相同，在散射前后原子或分子内能不发生变化，散射光强度与入射光波长的四次方成反比。

2）拉曼散射这种散射现象通常发生在由分子组成的纯净介质中，组成戒指的分子是由一定的原子或离子组成的，它们在分子内部按一定的方式运动（振动或转动），分子内部粒子间的这种相对运动将导致感生电偶极矩随时间的周期性调制，从而可以产生对入射光的散射作用；在单色光入射的情况下，这将是散射光的频率相对于入射光发生一定的移动，频移量正好等于上述调制频率，亦即与散射分子的组成和内部相对运动规律有关。

3）布里渊散射对于任何种类的纯净介质来说，由于组成介质的质点群连续不断的做热运动，使得在介质内始终存在着不同程度上的弹性力学振动或声波场。连续介质的这种宏观弹性力学振动，意味着介质密度（从而也是折射率）随时间和空间的周期性起伏，因而可对入射光产生散射作用，这种作用类似于超声波对光的衍射作用，并且散射光的频移大小与散射角及介质的声波特性有关。

光纤中的散射光谱

可以看出，在光纤背向散射谱分布图中，激发线0v 两侧的频谱是成对出现的。在低频一侧频率为0v v -∆的散射光为斯托克斯光Stokes ；在高频的一侧频率为0v v +∆的散射光为反斯托克斯光anti-Stoke ，它们同时包含在拉曼散射和布里渊散射谱中。

1、 基于瑞利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引起的，散射光的频率与入射光的频率相同。一般采用光时域反射（OTDR ）结构来实现被测量的空间定位。瑞利散射的原理是沿光纤传播的光在纤芯内各点都会有损耗，一部分光沿着与光纤传播方向成180°的方向散射，返回光源。利用分析光纤中后向散射光的方法测量因散射、吸收等原因产生的光纤传输损耗和各种结构缺陷引起的结构性损耗，通过显示损耗与光纤长度的关系来检测外界信号场分布于光纤上的扰动信息。由于瑞利散射属于本征损耗，因此可以作为应变场检测参量的信息载体，提供沿光路全程的单值连续检测信号。

利用光时域反射（OTDR ）原理来实现对空间分布的温度的测量。当窄带光脉冲被注入到光纤中去时，该系统通过测后向散射光强随时间变化的关系来检查光纤的连续性并测出其衰减。入射光经背向散射返回到光纤入射端所需的时间为t ，激光脉冲在光纤中所走过的路程为2L=v*t 。v 是光在光纤中传播的速度，v=c/n ，c 为真空中的光速，n 为光纤的折射率。在t 时刻测量的是离光纤入射端距离为L 处局域的背向散射光。采用OTDR 技术，可以确定光纤处的损耗，光纤故障点、

断点的位置。

2、 基于拉曼散射的分布式光纤传感技术

光在光纤中传播时，光纤中的光学光子和光学声子产生非弹性碰撞，产生拉曼散射过程。在光谱图上，可以看到拉曼散射频谱具有两条谱线，分别在入射光谱线的两侧，其中频率为0v v -∆的为斯托克斯光，频率为0v v +∆的为反斯托克斯光。实验发现在自发拉曼散射中，反斯托克斯光（anti-Stokes ）对温度敏感，其强度受温度调制，而斯托克斯（Stokes ）基本上与温度无关，两者光强度比只和温度有关，并可有下式表示：

4

0()()exp ()as as s s I T v hv R T I T v kT ⎛⎫⎛⎫==- ⎪ ⎪⎝⎭

⎝⎭ （1） 式中，()R T 为待测温度的函数，as I 为反斯托克斯光强，s I 为斯托克斯光强，as v 为反斯托克斯光频率，s v 为斯托克斯光频率，h 为普朗克常量，k 为波尔兹曼常量，T 为绝对温度。

因此，以反斯托克斯光作为信号通道，斯托克斯光作为参考通道，检测两者光强的比值，就可以解调出散射区的温度信息，同时还可以有效的消除光源的不稳定以及光线传输过程中的耦合损耗、光纤弯曲损耗和传输损耗等的影响。

拉曼散射分布式光纤传感器的唯一不足之处是返回信号相当弱，因为反斯托克斯散射光比瑞利散射光强要弱20┄30dB 。为了避免信号处理过程中信号平均时间过长，脉冲激光源的峰值功率相当高。

3、 基于布里渊散射的分布式光纤传感技术

由于介质分子内部存在一定形式的振动，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，光纤中的光学声子和光学光子发生非弹性碰撞，则产生布里渊散射。在布里渊散射中，散射光的频率相对于泵浦光有一个频移，该频移通常称为布里渊频移。散射光布里渊频移量的大小与光纤材料声子的特性有直接关系。当与散射光频率相关的光纤材料特性受温度和应变的影响时，布里渊频移大小将发生变化。因此通过测定脉冲光的后向布里渊散射光的频移量就可以实现分布式温度应变测量。

光纤中布里渊散射通过相对于入射泵浦波频率下移的斯托克斯波的产生来表现，布里渊散射可以看作是泵浦波和斯托克斯波、声波之间的参量相互作用。散射产生的布里渊频移量与光线中的声速成正比：

2/B A f nV λ= （2）

式中，A V 为光纤中的声速，λ为光波长。

而光纤中的折射率和声速都与光纤的温度以及所受的应力等因素有关，这使布里渊频移B f 随参数的变化而变化，温度和光纤应变都会造成布里渊频率的线性移动，可表示为：

(0)()()B B f f f f T C T εμεε

∂∂=+︒+∂∂ （3） 实验发现，布里渊功率也随温度和应变而变化，布里渊功率随温度的上升而线性增加，随应变增加而线性下降。因此布里渊功率也可表示为：