高宏等

摘 要：隨著對光纖中非線性效應的不斷研究，布里淵散射由于可以同時測量外界環(huán)境的溫度和應變且測量范圍與測量精度均較高，使得其在光纖分布式傳感領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域反射、布里淵光時域分析和布里淵光頻域分析的光纖分布式傳感技術的原理及進展，最后從用戶需求方面對光纖分布式布里淵散射傳感技術的未來發(fā)展方向進行了展望。

關鍵詞：布里淵光時域反射 布里淵光時域分析 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：O437.2；O4-1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（c）-0030-02

光纖傳感器（Fiber Optical Sensor）是20世紀70年代中期發(fā)展起來的一種基于光導纖維的新型傳感器。它是光纖和光通信技術迅速發(fā)展的產(chǎn)物，它與以電為基礎的傳感器有著本質(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、非侵入性、高靈敏度和容易實現(xiàn)對被測信號的遠程監(jiān)控等優(yōu)點。

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

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來實現(xiàn)對外界物理量的測量。當入射到光纖中的激光功率達到布里淵散射閾值時，背向布里淵散射光信號隨之產(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致光纖軸向應變變化時，光纖中原來的背向布里淵散射光的頻率和強度也將隨之發(fā)生變化。

經(jīng)過理論推導，可以建立背向布里淵散射光的頻率（用νB表示）、強度（用功率PB表示）與溫度、應變關系的模型：

式中，νB0和PB0分別為布里淵散射光在標準溫度和應變下的頻率和功率；△T和△ε分別為溫度和應變與標準值之間的差值；、、和分別為布里淵的溫度功率系數(shù)、應變功率系數(shù)、溫度頻移系數(shù)和應變頻移系數(shù)、。T.R.Parker等人于1998年通過實驗測量得到[2]：，， ，。實際應用中，測量出光纖中背向布里淵散射光的強度和頻率，根據(jù)上述相關參數(shù)就可得到光纖鋪設沿途外界的應變及溫度情況。

2 光纖布里淵分布式傳感技術

2.1 BOTDR分布式光纖傳感技術

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間差可以確定該背向散射光對應的光纖位置，而背向散射光的強度和頻移是由外界溫度和應變決定，這樣就可以通過光纖作為傳感器來獲取外界的溫度和應變信息。

采用光外差相干檢測法實驗方案[5，6]如圖1所示。使用半導體激光器（LD）作為光源，通過耦合器恰當分光后，一路光用于脈沖強度調(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）進行光放大后，由耦合器輸入到25km的普通單模傳感光纖進行傳感。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進行外差檢測。

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，且布里淵頻移會隨著溫度或應力的變化而漂移，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)，就可以實現(xiàn)外差檢測。

2.2 BOTDA分布式光纖傳感技術

1990年，Horiguchi等人第一次搭建了BOTDA實驗系統(tǒng)[7]，其實驗系統(tǒng)組成如圖2所示。由一臺可調(diào)諧激光器1從光纖一端輸入脈沖光，另一臺可調(diào)諧激光器2從光纖另一端輸入連續(xù)光，當脈沖光與連續(xù)光的頻率差與光纖中某段的布里淵頻移一致時，在該段光纖處就會產(chǎn)生布里淵放大效應（當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，能量較低的泵浦信號將被放大，這就是布里淵受激放大效應），能量將在脈沖光和連續(xù)光之間產(chǎn)生轉(zhuǎn)移。在實際應用時，布里淵增益信號或布里淵損耗信號都可以作為BOTDA的探測信號。

當傳感光纖的某一段受外界影響其溫度或應變發(fā)生變化時，導致該位置產(chǎn)生的布里淵頻移也變化。通過對兩臺激光器的調(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。由（1）式可知，溫度、應變與產(chǎn)生的頻移存在線性關系。這樣，可以一面連續(xù)調(diào)節(jié)兩臺激光器的輸出頻率，一面檢測輸出光的功率，當能量每次出現(xiàn)最大時，記錄對應的頻率差，從而得到溫度、應變信息。

BOTDA分布式傳感技術得到人們的廣泛關注與研究，其中X.Bao等人致力于提高BOTDA傳感系統(tǒng)的性能，通過對一根51 km的光纖的布里淵損耗進行測量，實現(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變測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系被Anthony.W等人進行了研究[9]。在他們的實驗中，當空間分辨率為0.5m時應變誤差為20，當空間分辨率提高1倍到0.25m時，應變誤差隨之增加1倍達到40；系統(tǒng)的信噪比每降低10 dB，應變誤差與之前相比將擴大10倍；布里淵線寬與應變誤差的關系為：10 MHz線寬的增加對應1誤差的增加。endprint