分布式光纖傳感技術的特點與研究現(xiàn)狀

    1 、分布式傳感光纖技術的特點

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

    ①　分布式光纖傳感系統(tǒng)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(qū)域內(nèi)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(tǒng)的空間分辨力一般在米的量級，因而對被測量在更窄范圍的變化一般只能觀測其平均值；

    ④　系統(tǒng)的測量精度與空間分辨力一般存在相互制約關系；

    ⑤　檢測信號一般較微弱，因而要求信號處理系統(tǒng)具有較高的信噪比；

    ⑥　由于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(xiàn)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(xiàn)狀

    分布式光纖傳感技術一經(jīng)出現(xiàn)，就得到了廣泛的關注和深入的研究，并且在短短的十幾年里得到了飛速的發(fā)展．依據(jù)信號 的性質(zhì)，該類傳感技術可分為4類：①利用后向瑞利散射的傳感技術；②利用喇曼效應的傳感技術；③利用布里淵效應的傳感技術；④利用前向傳輸模耦合的傳感技術．

    2.1、利用后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(zhì)中的微觀粒子發(fā)生彈性碰撞所引起的，散射光的頻率與入射光的頻率相同．在利用后向瑞利散射的光纖傳感技術中，一般采用光時域反射（OTDR）結(jié)構來實現(xiàn)被測量的空間定位，典型傳感器的結(jié)構如圖1所示．依據(jù)瑞利散射光在光纖中受到的調(diào)制作用，該傳感技術可分為強度調(diào)制型和偏振態(tài)調(diào)制型。

圖1　后向散射型分布式光纖傳感器基本系統(tǒng)框圖

    2.1.1　強度調(diào)制型[2]

    當一束脈沖光在光纖中傳播時，由于光纖中存在折射率的微觀不均勻性，會產(chǎn)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系數(shù)的變化，那么通過檢測后向散射光信號的強度就能夠獲得外界物理量的大小．目前基于對后向瑞利散射光進行強度調(diào)制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系數(shù)與溫度的關系構成的分布式溫度傳感器。

    2.1.2　偏振態(tài)調(diào)制型

    偏振態(tài)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(diào)制，那么光的偏振態(tài)就會隨之發(fā)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后向瑞利散射光的偏振態(tài)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．由于磁場、電場、橫向壓力和溫度都能夠?qū)饫w中光的偏振態(tài)進行調(diào)制，因此該技術可用于實現(xiàn)多個物理量的測量。

    基于后向瑞利散射的傳感技術是現(xiàn)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(fā)展．然而由于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道。

    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(fā)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(chǎn)生非彈性碰撞，發(fā)生喇曼散射，波長大于入射光為斯托克斯光，波長小于入射光為反斯托克斯光．斯托克斯光與反斯托克斯光的強度比和溫度的關系可由下式表示：

    R(T)=(λs/λA)4exp(-hcu/KT)
　　　　　
    (1)式中　h－普朗克常數(shù)；
    c－真空光速；
    K－波爾茲曼常數(shù)；
    T－絕對溫度．

    因而這一關系與光時域反射技術結(jié)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(jié)構框圖。采用斯托克斯光與反斯托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　基于自發(fā)喇曼散射的分布式光纖溫度傳感器原理框圖

    基于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．對該技術開展研究工作的主要有英國的King大學[4]，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(chǎn)品已出現(xiàn)在國際、國內(nèi)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℃，測量范圍為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。處于傳感光纖兩端的Nd:YAG激光器和He-Ne激光器分別發(fā)出一波長為617nm脈沖光和一波長為633nm連續(xù)波．由于兩束光的頻率差處于喇曼放大的增益譜內(nèi)，連續(xù)光受脈沖光的作用就以喇曼增益放大．由于喇曼增益對脈沖光和探測光的偏振態(tài)極其敏感，而兩束光的偏振態(tài)能被光纖上的橫向應力所調(diào)制，因此利用連續(xù)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、利用布里淵效應的分布式光纖傳感技術

    2.3.1　利用自發(fā)布里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(fā)熱運動而產(chǎn)生的聲子會產(chǎn)生非彈性碰撞，發(fā)生自發(fā)布里淵散射．散射光的頻率相對入射光的頻率發(fā)生變化，這一變化的大小與散射角和光纖的材料特性有關．與布里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，通過測定脈沖光的后向布里淵散射光的頻移就可實現(xiàn)分布式溫度、應變測量．Tkach等人在1989年提出了一種基于該原理的分布式傳感器[8]．Parker等人于1997年通過實驗觀察到溫度、應變與自發(fā)布里淵散射光的功率分別存在正、反比例關系，并依據(jù)布里淵散射光的頻移與溫度和應變的變化成正比的實驗結(jié)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(xiàn)單根光纖上溫度與應變同時測量[9]。

    2.3.2　利用受激布里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，由于它在溫度、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于其它傳感技術，目前得到廣泛的關注與研究?；谠摷夹g的傳感器的典型結(jié)構為布里淵放大器結(jié)構，如圖3所示。處于光纖兩端的可調(diào)諧激光器分別將一脈沖光與一連續(xù)光注入傳感光纖，當兩束光的頻率差處于相遇光纖區(qū)域中的布里淵增益帶寬內(nèi)時，兩束光就會在作用點產(chǎn)生布里淵放大器效應，相互間發(fā)生能量轉(zhuǎn)移。在對兩束激光器的頻率進行連續(xù)調(diào)整的同時，通過檢測從光纖一端射出的連續(xù)光的功率，就可確定光纖各小段區(qū)域上布里淵增益達到最大時所對應的頻率差．所確定的頻率差與光纖上各段區(qū)域上的布里淵頻移相等，因此在光纖上與布里淵頻移成正比的溫度和應變就隨之確定．該傳感技術所能達到的測量精度主要依賴于兩臺激光器的調(diào)諧精度。

圖3　基于受激布城淵效應的分布式光纖傳感器框圖

    當脈沖光的頻率高于連續(xù)光的頻率時，脈沖光的能量向連續(xù)光轉(zhuǎn)移，這種傳感方式稱為布里淵增益型；當脈沖光的頻率低于連續(xù)光的頻率時，連續(xù)光的能量向脈沖光轉(zhuǎn)移，這種傳感方式稱為布里淵損耗型．當光纖上的溫度或應變?yōu)榫鶆蚍植紩r，布里淵增益?zhèn)鞲蟹绞綍鹈}沖光能量的急劇降低，從而難以實現(xiàn)長距離的檢測；布里淵損耗傳感方式則引起脈沖光能量的升高，從而能實現(xiàn)長距離的檢測．加拿大的鮑曉毅等人采用布里淵損耗的方式實現(xiàn)了長達51km的傳感長度，并在近期實現(xiàn)了0.5m的空間分辨力[11]．德國的Garus也提出了一種基于頻率域分析法的新型分布式光纖傳感技術[12]，它同樣利用布里淵頻移來實現(xiàn)溫度和應變的傳感，但在實現(xiàn)被測量的空間定位時沒有利用傳統(tǒng)的光時域反射法，而是利用了受激布里淵散射的頻譜特性。

    2.4、利用傳輸模耦合的分布式傳感技術

    該傳感器的一般形式是，光的入射與探測分別處于光纖的兩端．如果傳感光纖支持不同傳播速度的兩種傳輸模，那么在一定外界條件的作用下，光纖本征傳輸模的一部分能量就會耦合到另一傳輸模。因此在光纖另一端輸出的耦合模的強度就能反映出被測量的大小，兩傳輸模之間的延遲時間則反映出耦合點的位置。

    Frank于1986年采用調(diào)頻載波法來測量一雙折射光纖上橫向應力的分布[13]。Katrotsios于1987年提出一種采用邁克爾遜干涉儀的相位測量方案[14]。

    該傳感技術在理論上可得到極高的空間分辨力，但在實現(xiàn)上存在很大的困難．

    3、分布式光纖傳感技術的應用與發(fā)展

    由于分布式光纖傳感技術能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍測量場中分布信息的提取，因而它可解決目前測量領域的眾多難題，如：分布式溫度傳感器可用于大、中型變壓器、發(fā)電機組和油井的溫度分布測量，大型倉庫、油庫、高層建筑、礦井和隧道的火災防護及報警系統(tǒng)等領域；分布式應力傳感器可用于橋梁、堤壩等設施的安全檢測，航空、航天飛行器等大型設備老化程度的檢測，智能材料制備等領域。然而，為了實現(xiàn)快速、穩(wěn)定、可靠及高精度的測量，仍需要進行多方面的研究。今后的研究重點也將主要放在以下幾個方面：

    ①　實現(xiàn)單根光纖上多個物理參數(shù)（溫度和應變）或化學參數(shù)的同時測量；
    ②　提高信號接收和處理系統(tǒng)的檢測能力，提高系統(tǒng)的空間分辨力和測量不確定度；
    ③　提高測量系統(tǒng)的測量范圍，減少測量時間；
    ④　新的傳感機理的研究．【MechNet】