分布式光纖傳感技術的特點與研究現狀

2020-12-05 電子產品世界

1、分布式光纖傳感技術的特點

分布式光纖傳感技術具有同時獲取在傳感光纖區域內隨時間和空間變化的被測量分布信息的能力，其基本特徵為[1]：

①分布式光纖傳感系統中的傳感元件僅為光纖；

②一次測量就可以獲取整個光纖區域內被測量的一維分布圖，將光纖架設成光柵狀，就可測定被測量的二維和三維分布情況；

③系統的空間分辨力一般在米的量級，因而對被測量在更窄範圍的變化一般只能觀測其平均值；

④系統的測量精度與空間分辨力一般存在相互制約關係；

⑤檢測信號一般較微弱，因而要求信號處理系統具有較高的信噪比；

⑥由於在檢測過程中需進行大量的信號加法平均、頻率的掃描、相位的跟蹤等處理，因而實現一次完整的測量需較長的時間。

2、分布式光纖傳感技術研究現狀

分布式光纖傳感技術一經出現，就得到了廣泛的關注和深入的研究，並且在短短的十幾年裡得到了飛速的發展．依據信號的性質，該類傳感技術可分為4類：①利用後向瑞利散射的傳感技術；②利用喇曼效應的傳感技術；③利用布裡淵效應的傳感技術；④利用前向傳輸模耦合的傳感技術．

2.1、利用後向瑞利散射的分布式光纖傳感技術

瑞利散射是入射光與介質中的微觀粒子發生彈性碰撞所引起的，散射光的頻率與入射光的頻率相同．在利用後向瑞利散射的光纖傳感技術中，一般採用光時域反射（OTDR）結構來實現被測量的空間定位，典型傳感器的結構如圖1所示．依據瑞利散射光在光纖中受到的調製作用，該傳感技術可分為強度調製型和偏振態調製型。

圖1　後向散射型分布式光纖傳感器基本系統框圖

2.1.1強度調製型[2]

當一束脈衝光在光纖中傳播時，由於光纖中存在折射率的微觀不均勻性，會產生瑞利散射．如果外界物理量的變化能夠引起光纖的吸收、損耗特性或瑞利散射係數的變化，那麼通過檢測後向散射光信號的強度就能夠獲得外界物理量的大小．目前基於對後向瑞利散射光進行強度調製的傳感器有利用微彎損耗構成的分布式光纖力傳感器、利用光纖材料在放射線照射下所引起光損耗構成的分布式輻射傳感器，利用化學染料對光的吸收特性構成的分布式化學傳感器，利用液芯光纖瑞利散射係數與溫度的關係構成的分布式溫度傳感器。

2.1.2偏振態調製型

偏振態光時間域反射法（POTDR）最初是由Rogers[3]提出的，其基本原理是，如果光纖受一些外界物理量的調製，那麼光的偏振態就會隨之發生變化，而瑞利散射光在散射點的偏振方向與入射光相同，所以在光纖的入射端對後向瑞利散射光的偏振態和光信號的延遲時間進行檢測就可獲得外界物理量的分布情況．由於磁場、電場、橫向壓力和溫度都能夠對光纖中光的偏振態進行調製，因此該技術可用於實現多個物理量的測量。

基於後向瑞利散射的傳感技術是現代分布式光纖傳感技術的基礎，它在80年代初期得到了廣泛的發展．然而由於該技術難以克服測量精度低、傳感距離短的缺陷，目前在這方面的研究已鮮有報導。

2.2、利用拉曼效應的分布式光纖傳感技術

2.2.1利用自發拉曼散射的分布式溫度傳感技術

光通過光纖時，光子和光纖中的光聲子會產生非彈性碰撞，發生喇曼散射，波長大於入射光為斯託克斯光，波長小於入射光為反斯託克斯光．斯託克斯光與反斯託克斯光的強度比和溫度的關係可由下式表示：

R(T)=(λs/λA)4exp(-hcu/KT)(1)

式中h－普朗克常數；

c－真空光速；

K－波爾茲曼常數；

T－絕對溫度．

因而這一關係與光時域反射技術結合就可構成分布式溫度傳感器。圖2是該類傳感器的基本結構框圖。採用斯託克斯光與反斯託克斯光的強度比可消除光纖的固有損耗和不均勻性所帶來的影響。

圖2　基於自發喇曼散射的分布式光纖溫度傳感器原理框圖

基於拉曼散射的分布式溫度傳感技術是分布式光纖傳感技術中最為成熟的一項技術．對中國的重慶大學[5]和中國計量學院[6]。目前，該類傳感器的一些產品已出現在國際、國內市場，最為著名的是英國York公司的DTS80，它的空間分辨力和溫度分辨力分別能達到1m、1℃，測量範圍為4～8km。

2.2.2利用受激拉曼效應的分布式應力傳感技術

該傳感技術最初是由Farries和Rogers[7]提出的。處於傳感光纖兩端的Nd:YAG雷射器和He-Ne雷射器分別發出一波長為617nm脈衝光和一波長為633nm連續波．由於兩束光的頻率差處於喇曼放大的增益譜內，連續光受脈衝光的作用就以喇曼增益放大．由於喇曼增益對脈衝光和探測光的偏振態極其敏感，而兩束光的偏振態能被光纖上的橫向應力所調製，因此利用連續光的強度和光在光纖中的傳播時間就可獲得橫向應力在光纖上的分布。

2.3、利用布裡淵效應的分布式光纖傳感技術

2.3.1　利用自發布裡淵散射的分布式光纖溫度、應變傳感技術

光通過光纖時，光子和光纖中因自發熱運動而產生的聲子會產生非彈性碰撞，發生自發布裡淵散射．散射光的頻率相對入射光的頻率發生變化，這一變化的大小與散射角和光纖的材料特性有關．與布裡淵散射光頻率相關的光纖材料特性主要受溫度和應變的影響，因此，通過測定脈衝光的後向布裡淵散射光的頻移就可實現分布式溫度、應變測量．Tkach等人在1989年提出了一種基於該原理的分布式傳感器[8]．Parker等人於1997年通過實驗觀察到溫度、應變與自發布裡淵散射光的功率分別存在正、反比例關係，並依據布裡淵散射光的頻移與溫度和應變的變化成正比的實驗結果而提出，通過求解功率變化與頻率變化的耦合方程可實現單根光纖上溫度與應變同時測量[9]。

2.3.2　利用受激布裡淵效應的分布式溫度、應變傳感技術該技術

最初是由日本NTT的Horiguchi[10]提出的，由於它在溫度、應變測量上所能達到的測量精度、傳感長度和空間分辨力高於其它傳感技術，目前得到廣泛的關注與研究。基於該技術的傳感器的典型結構為布裡淵放大器結構，如圖3所示。處於光纖兩端的可調諧雷射器分別將一脈衝光與一連續光注入傳感光纖，當兩束光的頻率差處於相遇光纖區域中的布裡淵增益帶寬內時，兩束光就會在作用點產生布裡淵放大器效應，相互間發生能量轉移。在對兩束雷射器的

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