一、前言

　　分布式光纖傳感技術(shù)是基于光纖工程中廣泛應(yīng)用的光時域反射（OTDR）技術(shù)發(fā)展起來的一種新型傳感技術(shù)，由于它具有其他傳感技術(shù)所無法比擬的優(yōu)點，因此成為目前傳感技術(shù)研究領(lǐng)域的熱點。從上世紀七十年代末提出到現(xiàn)在短短二十幾年里，分布式光纖傳感技術(shù)得到了很快發(fā)展，并在以下三個方面取得了突破：

　?、?基于瑞利散射的分布式光纖傳感技術(shù)；

　?、?基于拉曼散射的分布式光纖傳感技術(shù)；

　?、?基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)。

　　其中基于瑞利散射和拉曼散射的研究已經(jīng)趨于成熟，并逐步走向?qū)嵱没??；诓祭餃Y散射的分布傳感技術(shù)的研究起步較晚，但由于它在溫度、應(yīng)變測量上所達到的測量、測量范圍以及空間分辨率均高于其他傳感技術(shù)，因此這種技術(shù)在目前得到廣泛關(guān)注與研究。

　　二、光纖中的布里淵散射及其傳感機理

　　1、布里淵散[1]

　　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)，有一小部分光會發(fā)生散射。光纖中的散射過程主要有三種：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相互作用而產(chǎn)生的光散射過程，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。

　　在注入光功率不高的情況下，光纖材料分子的布朗運動將產(chǎn)生聲學(xué)噪聲，當這種聲學(xué)噪聲在光纖中傳播時，其壓力差將引起光纖材料折射率的變化，從而對傳輸光產(chǎn)生自發(fā)散射作用，同時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)致散射光頻率相對于傳輸光有一個多普勒頻移，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：一個泵浦光子轉(zhuǎn)換成一個新的頻率較低的斯托克斯光子并同時產(chǎn)生一個新的聲子；同樣地，一個泵浦光子吸收一個聲子的能量轉(zhuǎn)換成一個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，同時存在能量相當?shù)乃雇锌怂购头此雇锌怂箖蓷l譜線，其相對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，當大功率的泵浦光在光纖中傳播時，其折射率會增加，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。具體過程是：當泵浦光在光纖中傳播時，其自發(fā)布里淵散射光沿泵浦光相反的方向傳播，當泵浦光的強度增大時，自發(fā)布里淵散射的強度增加，當增大到一定程度時，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)，就會產(chǎn)生一個聲波，聲波的產(chǎn)生激發(fā)出更多的布里淵散射光，激發(fā)出來的散射光又加強聲波，如此相互作用，產(chǎn)生很強的散射，這就是受激布里淵散射（SBS）。相對于光波而言，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)歷了一個光增益的過程。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理。

　　如前所述，光纖中的布里淵散射相對泵浦光有一個頻移，通常稱此頻移為布里淵頻移。其中背向布里淵散射的布里淵頻移，并由下式給出[2]： (1)

　　其中：VB—布里淵頻移，

　　 n—光纖纖芯折射率，

　　 Va—聲速，

　　l—泵浦光的波長。

　　對于普通的硅玻璃光纖，n=1.46，Va=5945m/s，當泵浦光的波長l=1.55mm時，布里淵頻移VB»11.2GHz。

　　大量的理論和實驗研究證明，光纖中布里淵散射信號的布里淵頻移和功率與光纖所處環(huán)境溫度和所承受的應(yīng)變在一定條件下呈線形變化關(guān)系，并由下式給出[3]：（2）

　　其中，

　　三、 布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)研究現(xiàn)狀

　　自從Horiguchi[4]和Culverhouse[5]等人首次分別提出利用布里淵散射頻移特性作為分布式應(yīng)變和溫度傳感以來，在世界范圍內(nèi)，眾多研究人員展開了基于布里淵散射的傳感系統(tǒng)的研究，取得了可喜的成績。目前，基于布里淵散射的溫度/應(yīng)變傳感技術(shù)的研究主要集中在三個方面：

　?。?）基于布里淵光時域反射（BOTDR）技術(shù)的分布式光纖傳感技術(shù)；

　?。?）基于布里淵光時域分析（BOTDA）技術(shù)的分布式光纖傳感技術(shù)。

　　（3）基于布里淵光頻域分析技術(shù)（BOFDA）的分布式光纖傳感技術(shù)。

　　1、基于布里淵光時域反射技術(shù)（BOTDR）的分布式光纖傳感技

　　基于BOTDR的分布式光纖傳感系統(tǒng)與在光纖測量中廣泛應(yīng)用的光時域反射計（OTDR）相類似，基本框圖如所示。在OTDR中，當脈沖光在光纖中傳輸時，在光纖的脈沖光發(fā)送端就可以檢測到由瑞利散射產(chǎn)生的背向散射光，背向散射光與脈沖光之間的時間延遲提供對光纖的位置信息的測量，背向散射光的強度提供對光纖的衰減的測量。在BOTDR中，背向的自發(fā)布里淵散射代替了瑞利散射，由于布里淵散射受溫度和應(yīng)變的影響，因此通過測量布里淵散射便可以得到溫度和應(yīng)變信息。

　　自發(fā)布里淵散射信號相當微弱（比瑞利散射約小兩個數(shù)量級），檢測比較困難，因此基于BOTDR的分布式光纖傳感技術(shù)的研究主要集中在布里淵信號的檢測上。Kurashima[6]等人首先利用相干檢測的方法實現(xiàn)了自發(fā)布里淵信號的檢測和分布式溫度／應(yīng)變測量，并在11.57km的光纖上獲得了空間分辨率為100m、溫度／應(yīng)變測量分別為±3℃／±0.006％的實驗結(jié)果。

　　其具體檢測方法是：用一個可調(diào)諧激光器作為本地振蕩光源和背向散射光外差，當調(diào)節(jié)本地振蕩光（ ）使其頻率與輸入脈沖光（ ）的頻率差 落在布里淵頻移 附近時，則本振光與布里淵散射斯托克斯光的拍頻信號的頻率差就會遠遠小于布里淵頻移，這樣用一個低通濾波器就可以將這個拍頻信號濾出來。

　　由于低通濾波器的截止帶寬比布里淵散射信號的線寬要窄得多，因此濾波器所濾出的信號只對應(yīng)著本振光與光纖某區(qū)域布里淵頻移和 相差很小的布里淵散射光的拍頻信號，輸入脈沖光與本振光之間的頻差也就正好可以近似等于該區(qū)域布里淵散射信號的頻移。已知布里淵頻移與溫度、應(yīng)變存在線形關(guān)系，因此通過測定脈沖光與本振光的頻差，就可以得到溫度或應(yīng)變信息。改變本振光的頻率，就可以實現(xiàn)沿整個光纖分布的溫度/應(yīng)變測量。

　　相干檢測可以利用本振光提高信號的測量靈敏度，但需要同時使用兩個光源，對兩光源的相干性能也有較高要求。為了克服這個缺點，K.Shimizu[7]等人通過引入一個光移頻環(huán)路實現(xiàn)了利用單光源對自發(fā)布里淵信號的相干自差檢測，并獲得滿意的實驗結(jié)果。

　　不同于相干檢測，英國的T.P.Newson等人利用直接檢測的方法實現(xiàn)了分布式測量，其系統(tǒng)主要利用光纖馬赫－澤德干涉儀的濾波和鑒頻特性來實現(xiàn)背向自發(fā)布里淵散射信號的檢測。

　　在背向散射信號的耦合輸出端，系統(tǒng)首先利用一個馬赫－澤德干涉儀將微弱的布里淵信號從背向散射信號（主要是瑞利散射）中分離出來，然后通過另外一個馬赫－澤德干涉儀來實現(xiàn)布里淵頻移和強度的測量，通過相關(guān)的數(shù)據(jù)處理得到溫度和應(yīng)變信息。

　　在近的研究中[8]，他們在15km的光纖上獲得了空間分辨率為10m，溫度、應(yīng)變分辨力分別為4℃/290me的實驗結(jié)果，并利用溫度、應(yīng)變和布里淵散射信號的頻移、強度關(guān)系在同一光纖上實現(xiàn)了溫度、應(yīng)變的同時測量。和相干檢測相比，直接檢測的測量

　　靈敏度沒有相干檢測高，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，實時性好。

　　另外，T.R.Parker[9]等人通過對背向自發(fā)布里淵散射斯托克斯和反斯托克斯光譜的測量同樣實現(xiàn)了溫度、應(yīng)變的同時測量，并獲得了理想的實驗結(jié)果。

　　2、基于布里淵光時域分析技術(shù)(BOTDA) 的分布式光纖傳感技術(shù)

　　該技術(shù)初由Horiguchi[10]等人提出?；谠摷夹g(shù)的傳感器典型結(jié)構(gòu)如所示。處于光纖兩端的可調(diào)諧激光器分別將一脈沖光（泵浦光）與一連續(xù)光（探測光）注入傳感光纖，當泵浦光與探測光的頻差與光纖中某區(qū)域的布里淵頻移相等時，在該區(qū)域就會產(chǎn)生布里淵放大效應(yīng)（受激布里淵），兩光束相互之間發(fā)生能量轉(zhuǎn)移。由于布里淵頻移與溫度、應(yīng)變存在線性關(guān)系，因此，對兩激光器的頻率進行連續(xù)調(diào)節(jié)的同時，通過檢測從光纖一端耦合出來的連續(xù)光的功率，就可確定光纖各小段區(qū)域上能量轉(zhuǎn)移達到時所對應(yīng)的頻率差，從而得到溫度、應(yīng)變信息，實現(xiàn)分布式測量。

　　在BOTDA中，當泵浦光的頻率高于探測光的頻率時，泵浦光的能量向探測光轉(zhuǎn)移，這種傳感方式稱為布里淵增益型；當泵浦光的頻率低于探測光的頻率時，探測光的能量向泵浦光轉(zhuǎn)移，這種傳感方式成為布利淵損耗型。在光纖溫度或應(yīng)變分布均勻的情況下，布里淵增益型傳感方式中的泵浦脈沖光隨著在光纖中的傳播其能量會不斷的向探測光轉(zhuǎn)移，在傳感距離較長的情況下會出現(xiàn)泵浦耗盡，因此該傳感方式難以實現(xiàn)長距離傳感；而對于布里淵損耗型，能量的轉(zhuǎn)移使泵浦光的能量升高，不會出現(xiàn)泵浦耗盡情況，從而使得傳感距離大大增加。

　　在基于BOTDA的分布式光纖傳感技術(shù)研究中，Horiguchi[11]等人首先利用一個DFB-LD和一個Nd:YAG激光器在波長1.32mm處實現(xiàn)了BOTDA的分布式應(yīng)變測量，取得了空間分辨率100m、應(yīng)變104的實驗結(jié)果。此后，基于BOTDA的分布式傳感技術(shù)得到廣泛研究，并且擴展到了分布式溫度、分布式溫度/應(yīng)變復(fù)合傳感技術(shù)的研究。在眾多研究中，X.Bao等人將BOTDA傳感系統(tǒng)的性能大大提高，他們采用布里淵損耗的方式終實現(xiàn)了長達51km、溫度分辨率1℃和空間分辨率5m的傳感測量[12]。另外，X.Bao、Shimizu等人在分布式溫度／應(yīng)變復(fù)合傳感技術(shù)方面也做了大量工作并取得了理想的實驗結(jié)果。在國內(nèi)，重慶大學(xué)、天津大學(xué)等均有BOTDA系統(tǒng)的理論研究報道，但相關(guān)實驗方面的報道目前還沒有。和BOTDR相比，在BOTDA系統(tǒng)中信號的檢測較容易，在世界范圍內(nèi)的研究投入較大一些，技術(shù)也較為成熟，但雙光源的使用以及光源的兩端入射使它的應(yīng)用受到一定的限制。

　　3、基于布里淵光頻域分析技術(shù)（BOFDA）的分布式光纖傳感技術(shù)

　　基于布里淵頻域分析技術(shù)（BOFDA）的分布式光纖傳感技術(shù)是由德國的D.Garus等人提出的一種新型的分布式光纖傳感技術(shù)[13]，實驗系統(tǒng)基本框圖如所示。

　　和BOTDR、BOTDA相比，BOFDA同樣利用布里淵頻移來實現(xiàn)溫度和應(yīng)變的傳感，但被測量空間定位不是傳統(tǒng)的光時域反射法，而是通過得到傳感光纖的復(fù)合基帶傳輸函數(shù)來實現(xiàn)的。由于不采用光時域反射法來實現(xiàn)空間定位，因此傳感光纖兩端所注入的光為頻率不同的連續(xù)光，其中探測光（ ）與泵浦光（ ）的頻差 約等于傳感光纖的布里淵頻移。

　　為了實現(xiàn)傳感光纖復(fù)合基帶傳輸函數(shù)的測量，探測光首先經(jīng)過頻率fm可變的信號源進行幅度調(diào)制，其調(diào)制強度為注入光纖的探測光與泵浦光在光纖中相互作用的邊界條件。對于每一個調(diào)制信號頻率fm，在耦合器的兩個耦合輸出端同時檢測注入光纖的探測光IS(L)和泵浦光強度IP (L,t)，這樣，通過和檢測器相連的網(wǎng)絡(luò)分析儀就可以確定傳感光纖的基帶傳輸函數(shù)。

　　作為一個線性系統(tǒng)，通過基帶傳輸函數(shù)便可以得到系統(tǒng)的沖激響應(yīng)，系統(tǒng)的沖激響應(yīng)便反映了沿光纖分布的溫度/應(yīng)變信息。在BOFDA系統(tǒng)中，系統(tǒng)的空間分辨率由調(diào)制信號的（fm，max）、(fm，min,)調(diào)制頻率決定，傳感距離由調(diào)制信號頻率的變化步長（Dfm）決定。

　　基于上述原理，D.Garus等人做了基于BOFDA的分布式光纖傳感系統(tǒng)實驗方面的研究，并取得了溫度分辨率5℃、頻率分辨率0.01%和空間分辨率3m的實驗結(jié)果[13]。

　　在基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)的研究中，除了上面所論述三種主要研究技術(shù)外，還提出了其它的研究方案，如日本學(xué)者保利和夫所提出的基于相干域測量技術(shù)等。這些研究方案的提出，為分布式光纖傳感技術(shù)的研究注入了活力，具有極高的學(xué)術(shù)和應(yīng)用價值。

　　四、 應(yīng)用與發(fā)展。

　　分布式光纖傳感器具備提取大范圍測量場的分布信息的能力，能夠解決目前測量領(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的設(shè)備的溫度分布測量和監(jiān)控；分布式光纖應(yīng)變傳感器在多層建筑、橋梁、水壩、飛行器、壓力容器等重大結(jié)構(gòu)與設(shè)備的形變監(jiān)測方面有廣闊應(yīng)用前景。近年來，分布式光纖傳感技術(shù)在復(fù)合材料中的應(yīng)用，開辟了智能化材料新領(lǐng)域。然而，要提供實時性、穩(wěn)定性、可靠性好以及高的分布式傳感系統(tǒng)，還需要多方面的研究，隨著基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)研究的不斷深入，這些應(yīng)用要求將逐步得到實現(xiàn)。

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