光纖傳感調(diào)研.doc

基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)的研究及進(jìn)展摘要：闡述了基于布里淵散射分布式的光纖傳感技術(shù)的傳感機(jī)理，簡(jiǎn)要介紹了基于脈沖技術(shù)的布里淵分布式傳感技術(shù)(BOTDR，BOTDA）的基本原理及應(yīng)用進(jìn)展，并分析指出了其在空間分辨率等方面存在的問(wèn)題。關(guān)鍵詞：布里淵散射； 分布式傳感； 空間分辨率； 連續(xù)波； 拉曼放大1.引言分布式光纖傳感技術(shù)是基于光纖工程中廣泛應(yīng)用的光時(shí)域反射(OTDR)技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種新型傳感技術(shù)，由于它具有其他傳感技術(shù)所無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，因此成為目前傳感技術(shù)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。從上世紀(jì)七十年代末到現(xiàn)在二十幾年里，分布式光纖傳感技術(shù)得到了很快發(fā)展，并在以下三個(gè)方面取得了突破：（1）.基于瑞利散射的分布式光纖傳感技術(shù)；（2）.基于拉曼散射的分布式光纖傳感技術(shù)；（3）.基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)。瑞利散射信號(hào)最強(qiáng)，但它對(duì)溫度和應(yīng)力都不敏感，測(cè)量精度低，傳感距離短。因而，目前基于瑞利散射的傳感器已經(jīng)鮮有報(bào)道?；诶⑸涞膫鞲衅魇悄壳白顚?shí)用化的一類光纖傳感器，但它的信號(hào)比較小，比布里淵散射的信號(hào)約小 l0 dB，而且對(duì)應(yīng)變不敏感，限制了其在工程上的應(yīng)用?；诓祭餃Y散射的分布式傳感技術(shù)雖然起步較晚，但與其他分布式傳感技術(shù)相比，它有顯著的優(yōu)點(diǎn)：（1） 由于它是通過(guò)檢測(cè)布里淵頻移測(cè)量溫度或應(yīng)變，因而測(cè)量精度明顯高于其他技術(shù)。（2） 測(cè)量范圍大，最長(zhǎng)測(cè)量距離可達(dá) 250 KM，能滿足工程應(yīng)用中長(zhǎng)距離測(cè)量的需要。（3） 空間分辨率高，目前已達(dá)厘米級(jí)水平。（4） 通過(guò)同時(shí)檢測(cè)頻移和功率，可實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變的同時(shí)測(cè)量，便于提高儀器利用率，節(jié)約成本。因此這種技術(shù)在目前得到廣泛關(guān)注與研究，新的理論和技術(shù)層出不窮。2.光纖中的布里淵散射及其傳感機(jī)理（1） 布里淵散射在光纖中傳播的光波,其大部分是前向傳播的，但由于光纖的非結(jié)晶材料在微觀空間存在不均勻結(jié)構(gòu)，有一小部分光會(huì)發(fā)生散射。光纖中的散射過(guò)程主要有三種：瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射，它們的散射機(jī)理各不相同。其中，布里淵散射是光波與聲波在光纖中傳播時(shí)相互作用而產(chǎn)生的光散射過(guò)程，在不同的條件下，布里淵散射又分別以自發(fā)散射和受激散射兩種形式表現(xiàn)出來(lái)。在注入光功率不高的情況下，光纖材料分子的布朗運(yùn)動(dòng)將產(chǎn)生聲學(xué)噪聲，當(dāng)這種聲學(xué)噪聲在光纖中傳播時(shí)，其壓力差將引起光纖材料折射率的變化，從而對(duì)傳輸光產(chǎn)生自發(fā)散射作用，同時(shí)聲波在材料中的傳播將使壓力差及折射率變化呈現(xiàn)周期性，導(dǎo)致散射光頻率相對(duì)于傳輸光有一個(gè)多普勒頻移，這種散射稱為自發(fā)布里淵散射。自發(fā)布里淵散射可用量子物理學(xué)解釋如下：一個(gè)泵浦光子轉(zhuǎn)換成一個(gè)新的頻率較低的斯托克斯光子并同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)新的聲子；同樣地，一個(gè)泵浦光子吸收一個(gè)聲子的能量轉(zhuǎn)換成一個(gè)新的頻率較高的反斯托克斯光子。因此在自發(fā)布里淵散射光譜中，同時(shí)存在能量相當(dāng)?shù)乃雇锌怂购头此雇锌怂箖蓷l譜線，其相對(duì)于入射光的頻移大小與光纖材料聲子的特性有直接關(guān)系。 由于構(gòu)成光纖的硅材料是一種電致伸縮材料，當(dāng)大功率的泵浦光在光纖中傳播時(shí)，其折射率會(huì)增加，產(chǎn)生電致伸縮效應(yīng)，導(dǎo)致大部分傳輸光被轉(zhuǎn)化為反向傳輸?shù)纳⑸涔猓a(chǎn)生受激布里淵散射。具體過(guò)程是：當(dāng)泵浦光在光纖中傳播時(shí)，其自發(fā)布里淵散射光沿泵浦光相反的方向傳播,當(dāng)泵浦光的強(qiáng)度增大時(shí)，自發(fā)布里淵散射的強(qiáng)度增加，當(dāng)增大到一定程度時(shí)，反向傳輸?shù)乃雇锌怂构夂捅闷止鈱l(fā)生干涉作用，產(chǎn)生較強(qiáng)的干涉條紋，使光纖局部折射率大大增加。這樣由于電致伸縮效應(yīng)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)聲波，聲波的產(chǎn)生激發(fā)出更多的布里淵散射光，激發(fā)出來(lái)的散射光又加強(qiáng)聲波，如此相互作用,產(chǎn)生很強(qiáng)的散射，這就是受激布里淵散射(SBS)。相對(duì)于光波而言，聲波的能量可忽略,因此在不考慮聲波的情況下，這種SBS過(guò)程可以概括為頻率較高的泵浦光的能量向頻率低的斯托克斯光轉(zhuǎn)移的過(guò)程。這樣受激布里淵散射可以看成僅僅是在有泵浦光存在的情況下在電致伸縮材料中傳播的斯托克斯光經(jīng)歷了一個(gè)光增益的過(guò)程。在受激布里淵散射中，雖然理論上反斯托克斯和斯托克斯光都存在,一般情況下只表現(xiàn)為斯托克斯光。（2） 布里淵散射的傳感機(jī)理 如前所述，光纖中的布里淵散射相對(duì)泵浦光有一個(gè)頻移，通常稱為布里淵頻移。其大小主要由光纖的聲學(xué)特性和彈性力學(xué)特性決定，此外還與散射角和入射光頻率有關(guān)： 式中：為布里淵散射光的斯托克斯光光頻； 為入射光光頻； n 為光纖折射率； 為介質(zhì)中聲速；為布里淵頻移； 為散射光與入射光的夾角。故背向布里淵散射的布里淵頻移最大為：其中為溫度和應(yīng)變的函數(shù)。大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究證明，光纖中布里淵散射信號(hào)的布里淵頻移和功率與光纖所處環(huán)境和所承受的應(yīng)變?cè)谝欢l件下呈線性變化關(guān)系， 并由下式給出： 式中：為布里淵頻移變化量；為應(yīng)變的變化量；T為溫度變化量；布里淵頻移溫度系數(shù)；為布里淵頻移應(yīng)變系數(shù)；為布里淵功率變化量；為布里淵功率溫度系數(shù)；為布里淵功率應(yīng)變系數(shù)。因此，在已知溫度、應(yīng)變系數(shù)的情況下測(cè)定布里淵散射信號(hào)的頻移和功率，通過(guò)上面兩式就可以得到溫度和應(yīng)變信息，這就是基于布里淵散射的分布式傳感技術(shù)的傳感機(jī)理。3.布里淵分布式傳感技術(shù)的發(fā)展1989 年，Horighguchi 和 Culverhouse 首次提出了利用布里淵頻移來(lái)分布式測(cè)量溫度和應(yīng)力的方案，此后在世界范圍內(nèi)，眾多研究人員展開了基于布里淵散射的分布式傳感器的開發(fā)和研究，經(jīng)過(guò)十幾年的不懈努力，取得了可喜的成果。目前，大部分布里淵散射型的分布式傳感器都主要基于兩個(gè)基本技術(shù)，即布里淵光時(shí)域反射技術(shù)和布里淵光時(shí)域分析技術(shù)。（1）布里淵光時(shí)域反射技術(shù)（BOTDR） 布里淵光時(shí)域反射技術(shù)是由傳統(tǒng)的光時(shí)域反射計(jì)技術(shù)發(fā)展起來(lái)的，其基本原理如圖 1 所示。將一脈沖光注入光纖，當(dāng)脈沖光在光纖中傳輸時(shí)，在光纖的脈沖發(fā)射端可以檢測(cè)到由布里淵散射產(chǎn)生的背向散射光，脈沖光和散射光之間的時(shí)間延遲可以提供檢測(cè)光纖的位置信息，因而可以對(duì)光纖進(jìn)行分布式測(cè)量。布里淵散射的頻移和功率受溫度和應(yīng)變的影響，通過(guò)檢測(cè)頻移或功率即可獲得溫度和應(yīng)變信息。BOTDR 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)單端測(cè)量，并且可以測(cè)斷點(diǎn)，因而比較適合工程應(yīng)用。但測(cè)量范圍不大，精度不高。英國(guó)南安普敦大學(xué)研究小組利用馬赫曾德而干涉儀實(shí)現(xiàn)了自發(fā)布里淵散射信號(hào)的提取，獲得了溫度和應(yīng)變的同時(shí)傳感，傳感精度分別為 4 和 290 ，空間分辨率為 10 m。Kurashima T.等人利用相干檢測(cè)的方法在 11.57 km 的光纖上獲得了空間分辨率為 100 m，應(yīng)變測(cè)量精度為0.006%的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。日本的 Ando 公司已開發(fā)出基于自發(fā)布里淵散射的光纖應(yīng)變測(cè)量?jī)x，應(yīng)變精度達(dá)到0.01%，空間分辨率為1m。（2）布里淵光時(shí)域分析技術(shù)（BOTDA） BOTDA 最初認(rèn)為是一種沒有破壞性的光纖損耗測(cè)量，在明確了應(yīng)變和布里淵頻移之間的相互關(guān)系之后BOTDA 發(fā)展為一種應(yīng)變測(cè)量技術(shù)。基本原理如圖 2 所示。處于光纖兩端的可調(diào)諧激光器分別將一脈沖光和連續(xù)光注入被測(cè)光纖，當(dāng)兩束光的頻率差等于光纖中某區(qū)域的布里淵頻移時(shí)，將發(fā)生布里淵放大效應(yīng)。在對(duì)兩束激光器頻率進(jìn)行連續(xù)調(diào)整的同時(shí)，通過(guò)檢測(cè)從光纖端射出的連續(xù)光功率。就可確定光纖各小段區(qū)域上布里淵增益達(dá)到最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率差，從而實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)力的分布式測(cè)量。BOTDA 技術(shù)測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍大，精度高，因而受到普遍重視，投入的研究比較多，技術(shù)較為成熟。但雙光源的使用以及無(wú)法檢測(cè)斷點(diǎn)影響了它在某些工程領(lǐng)域的應(yīng)用。1999 年，AnthonyW.等人全面系統(tǒng)的分析了影響 BOTDA 系統(tǒng)精度的因素及相互關(guān)系，并通過(guò)最優(yōu)化各個(gè)因素，獲得了在 500 mm 的空間分辨率上應(yīng)變精度為 20 ，在 250 mm 的空間分辨率上應(yīng)變精度為 20 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。美國(guó)的 Micron Optics 公司已經(jīng)研制出了基于受激布里淵散射原理溫度應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，傳感距離可達(dá) 30 km，溫度分辨率為 1 m，應(yīng)變精度為 20 。分布式光纖傳感器具備提取大范圍測(cè)量場(chǎng)的分布信息的能力,能夠解決目前測(cè)量領(lǐng)域的眾多難題。其中分布式光纖溫度傳感器可用于如大型電力變壓器、高壓電力網(wǎng)、高層建筑等大的或長(zhǎng)的設(shè)備的溫度分布測(cè)量