高宏等

摘 要：隨著對(duì)光纖中非線性效應(yīng)的不斷研究，布里淵散射由于可以同時(shí)測(cè)量外界環(huán)境的溫度和應(yīng)變且測(cè)量范圍與測(cè)量精度均較高，使得其在光纖分布式傳感領(lǐng)域得到了廣泛的重視和研究。本文介紹了光纖布里淵散射的傳感原理，綜述了基于布里淵光時(shí)域反射、布里淵光時(shí)域分析和布里淵光頻域分析的光纖分布式傳感技術(shù)的原理及進(jìn)展，最后從用戶需求方面對(duì)光纖分布式布里淵散射傳感技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：布里淵光時(shí)域反射 布里淵光時(shí)域分析 布里淵光頻域分析 布里淵散射 分布式光纖傳感

中圖分類號(hào)：O437.2；O4-1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）08（c）-0030-02

光纖傳感器（Fiber Optical Sensor）是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來(lái)的一種基于光導(dǎo)纖維的新型傳感器。它是光纖和光通信技術(shù)迅速發(fā)展的產(chǎn)物，它與以電為基礎(chǔ)的傳感器有著本質(zhì)區(qū)別。光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)[1]。具有電絕緣性能好、抗電磁干擾能力強(qiáng)、非侵入性、高靈敏度和容易實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的遠(yuǎn)程監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)。

在基于非線性光學(xué)中散射機(jī)理的遠(yuǎn)距離分布式光纖傳感測(cè)量中，由于光纖既充當(dāng)了傳感器又充當(dāng)了信號(hào)傳輸通道，因此具有非常突出的優(yōu)勢(shì)。目前所開展的研究工作主要在三個(gè)方向，它們的理論基礎(chǔ)分別是光纖中的背向布里淵散射、喇曼散射和瑞利散射。這三個(gè)方向中，基于布里淵散射的分布式傳感技術(shù)具有測(cè)量范圍大、測(cè)量精度高及空間分辨率高的特點(diǎn)，因此更為人們關(guān)注。當(dāng)前基于光纖布里淵散射機(jī)理的分布式傳感技術(shù)的研究熱點(diǎn)主要包括：布里淵光時(shí)域反射（BOTDR）技術(shù)、布里淵光時(shí)域分析（BOTDA）技術(shù)以及布里淵光頻域分析（BOFDA）技術(shù)。

1 光纖布里淵散射的傳感原理

布里淵散射（Brillouin Scattering）是指入射到光纖中的光波與光纖內(nèi)的彈性聲波發(fā)生相互作用而產(chǎn)生的一種光散射現(xiàn)象。光纖分布式布里淵散射傳感就是利用其背向散射信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)外界物理量的測(cè)量。當(dāng)入射到光纖中的激光功率達(dá)到布里淵散射閾值時(shí)，背向布里淵散射光信號(hào)隨之產(chǎn)生。若光纖所處環(huán)境的溫度發(fā)生變化或外界作用力導(dǎo)致光纖軸向應(yīng)變變化時(shí)，光纖中原來(lái)的背向布里淵散射光的頻率和強(qiáng)度也將隨之發(fā)生變化。

經(jīng)過理論推導(dǎo)，可以建立背向布里淵散射光的頻率（用νB表示）、強(qiáng)度（用功率PB表示）與溫度、應(yīng)變關(guān)系的模型：

式中，νB0和PB0分別為布里淵散射光在標(biāo)準(zhǔn)溫度和應(yīng)變下的頻率和功率；△T和△ε分別為溫度和應(yīng)變與標(biāo)準(zhǔn)值之間的差值；、、和分別為布里淵的溫度功率系數(shù)、應(yīng)變功率系數(shù)、溫度頻移系數(shù)和應(yīng)變頻移系數(shù)、。T.R.Parker等人于1998年通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到[2]：，， ，。實(shí)際應(yīng)用中，測(cè)量出光纖中背向布里淵散射光的強(qiáng)度和頻率，根據(jù)上述相關(guān)參數(shù)就可得到光纖鋪設(shè)沿途外界的應(yīng)變及溫度情況。

2 光纖布里淵分布式傳感技術(shù)

2.1 BOTDR分布式光纖傳感技術(shù)

在BOTDR中，隨著滿足功率要求的脈沖光沿著光纖向前傳輸，在光纖的輸入端就可接收到隨之產(chǎn)生的布里淵背向散射光，由脈沖光與某一具體背向散射光之間的時(shí)間差可以確定該背向散射光對(duì)應(yīng)的光纖位置，而背向散射光的強(qiáng)度和頻移是由外界溫度和應(yīng)變決定，這樣就可以通過光纖作為傳感器來(lái)獲取外界的溫度和應(yīng)變信息。

采用光外差相干檢測(cè)法實(shí)驗(yàn)方案[5，6]如圖1所示。使用半導(dǎo)體激光器（LD）作為光源，通過耦合器恰當(dāng)分光后，一路光用于脈沖強(qiáng)度調(diào)制，另一路光作為本地參考光。泵浦光首先經(jīng)由脈沖調(diào)制器形成光脈沖。光脈沖經(jīng)摻鉺光纖放大器（EDFA）進(jìn)行光放大后，由耦合器輸入到25km的普通單模傳感光纖進(jìn)行傳感。返回的散射光（包括布里淵散射光和瑞利散射光）和本地參考光一起送入外差接收機(jī)進(jìn)行外差檢測(cè)。

本地參考光由光源的一束分光經(jīng)微波電光調(diào)制器調(diào)制后產(chǎn)生。由于布里淵散射光和瑞利散射光之間存在約11 GHz的布里淵頻移，且布里淵頻移會(huì)隨著溫度或應(yīng)力的變化而漂移，因此我們需要在以11 GHz頻率為中心的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)本地參考光的調(diào)制頻率，使其與布里淵頻移的差值恰好落在約90 MHz的中頻范圍內(nèi)，就可以實(shí)現(xiàn)外差檢測(cè)。

2.2 BOTDA分布式光纖傳感技術(shù)

1990年，Horiguchi等人第一次搭建了BOTDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[7]，其實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成如圖2所示。由一臺(tái)可調(diào)諧激光器1從光纖一端輸入脈沖光，另一臺(tái)可調(diào)諧激光器2從光纖另一端輸入連續(xù)光，當(dāng)脈沖光與連續(xù)光的頻率差與光纖中某段的布里淵頻移一致時(shí)，在該段光纖處就會(huì)產(chǎn)生布里淵放大效應(yīng)（當(dāng)兩束泵浦光在光纖中反向傳播，且兩光源的頻率差恰好為布里淵頻移時(shí)，能量較低的泵浦信號(hào)將被放大，這就是布里淵受激放大效應(yīng)），能量將在脈沖光和連續(xù)光之間產(chǎn)生轉(zhuǎn)移。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，布里淵增益信號(hào)或布里淵損耗信號(hào)都可以作為BOTDA的探測(cè)信號(hào)。

當(dāng)傳感光纖的某一段受外界影響其溫度或應(yīng)變發(fā)生變化時(shí)，導(dǎo)致該位置產(chǎn)生的布里淵頻移也變化。通過對(duì)兩臺(tái)激光器的調(diào)諧使二者之間的頻率差等于產(chǎn)生的布里淵頻移，就能接收到該段光纖的布里淵散射信號(hào)。由（1）式可知，溫度、應(yīng)變與產(chǎn)生的頻移存在線性關(guān)系。這樣，可以一面連續(xù)調(diào)節(jié)兩臺(tái)激光器的輸出頻率，一面檢測(cè)輸出光的功率，當(dāng)能量每次出現(xiàn)最大時(shí)，記錄對(duì)應(yīng)的頻率差，從而得到溫度、應(yīng)變信息。

BOTDA分布式傳感技術(shù)得到人們的廣泛關(guān)注與研究，其中X.Bao等人致力于提高BOTDA傳感系統(tǒng)的性能，通過對(duì)一根51 km的光纖的布里淵損耗進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)溫度分辨率1℃空間分辨率5 m[8]。

1999年，影響光纖分布式布里淵散射應(yīng)變測(cè)量精度的輸入激光的脈寬、布里淵線寬、空間分辨率及系統(tǒng)信噪比等諸因素及其相互關(guān)系被Anthony.W等人進(jìn)行了研究[9]。在他們的實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)空間分辨率為0.5m時(shí)應(yīng)變誤差為20，當(dāng)空間分辨率提高1倍到0.25m時(shí)，應(yīng)變誤差隨之增加1倍達(dá)到40；系統(tǒng)的信噪比每降低10 dB，應(yīng)變誤差與之前相比將擴(kuò)大10倍；布里淵線寬與應(yīng)變誤差的關(guān)系為：10 MHz線寬的增加對(duì)應(yīng)1誤差的增加。endprint