卜劍平 葉 雯 公安海警學(xué)院電子技術(shù)系

分布式光纖傳感器的應(yīng)用

卜劍平 葉 雯 公安海警學(xué)院電子技術(shù)系

文章對(duì)幾種常用的分布式光纖傳感器原理作了介紹, 并給出了傳感器在應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)際參數(shù), 最后綜述了分布式光纖傳感器的發(fā)展前景。

分布式光纖傳感器;布里淵散射;喇曼散射;布喇格反射

1.概況

分布式光纖傳感器主要運(yùn)用到光纖的一維特性,它比傳統(tǒng)的傳感器具有更多的優(yōu)點(diǎn)。它不僅可以同時(shí)獲得被測(cè)量的空間分布狀態(tài)和隨時(shí)間變化的信息，還可以在整個(gè)光纖長度上對(duì)沿光纖分布的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。在理論上,它可以把被測(cè)量值轉(zhuǎn)化為與光纖位置長度有關(guān)的函數(shù),能得到任意大小的分辨力。不僅可以用一條光纖來取代傳統(tǒng)的幾百個(gè)點(diǎn)陣構(gòu)成的傳感器的陣列，也可由光纖和簡單的控制器來代替由許多電纜和各級(jí)控制中心組成的復(fù)雜電氣系統(tǒng)。

常用的分布式光纖傳感器有光時(shí)域反射儀、布里淵分析儀、喇曼反射儀。

2.常用的分布式光纖傳感器

2.1 基于光時(shí)域原理的分布式光纖傳感器

⑴ OTDR(光時(shí)域反射儀)是表征光纖傳輸特性的測(cè)試儀器。此儀器主要用于測(cè)試整個(gè)光纖鏈路的衰減并提供與長度有關(guān)的衰減細(xì)節(jié),具體表現(xiàn)為探測(cè)、定位和測(cè)量光纖鏈路上任何位置的事件(指因光纖鏈路中熔接、連接器、彎曲等形成的缺陷)。

OTDR 的基本原理：經(jīng)過脈沖調(diào)制的激光器發(fā)射的脈沖光通過耦合器入射到光纖中, 光纖中的不同事件點(diǎn)對(duì)背向瑞利散射的功率產(chǎn)生了不同的影響。返回的瑞利散光射經(jīng)過耦合器后被光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。再經(jīng)過放大和信號(hào)處理后, 將光纖線路上的事件狀況顯示出來。

⑵ COTDR(相干光時(shí)域反射儀)是根據(jù)普通的OTDR 改進(jìn)的, 利用相干接收原理來檢測(cè)背向散射信號(hào)的設(shè)備。由于相干檢測(cè)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)近量子極限的探測(cè)，所以它能極大地增加系統(tǒng)探測(cè)的動(dòng)態(tài)范圍，常用于長距離通信系統(tǒng)的傳感監(jiān)測(cè)。另外,由于通常的OTDR 探測(cè)光波長在一個(gè)很大的范圍內(nèi)變化,很可能落在通信波長上,與通信波長爭(zhēng)增益。因此不能用于監(jiān)測(cè)。

COTDR 的基本原理：其工作原理與雷達(dá)類似, 用移頻器將探測(cè)光頻率變?yōu)閒1+Δf后,然后經(jīng)連接器注入光纖,由于光纖的不均勻性,光脈沖在光纖各點(diǎn)都要產(chǎn)生背向散射光,背向散射光將返回連接器接收端。再利用相干檢測(cè)技術(shù)的光頻選擇性提取微弱的背向散射光信號(hào)。COTDR通過檢測(cè)背向散射光可以掌握光纜工作狀態(tài)，完成OTDR不能完成的長距離多跨段光纖檢測(cè)。

2.2 基于布里淵散射原理的分布式光纖傳感器

（1) BOTDA (布里淵光纖時(shí)域分析儀）是最簡單的一種形式，其空間分辨率、測(cè)量精度等不如其他更為復(fù)雜的布里淵傳感技術(shù)，但是擁有更簡單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和單端測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，且其性能指標(biāo)已經(jīng)可以滿足許多應(yīng)用的要求。由于布里淵光時(shí)域反射技術(shù)測(cè)量的是自發(fā)布里淵散射，其信號(hào)微弱，信噪比較低。并且其各項(xiàng)性能指標(biāo)之間相互制約，難以得到同時(shí)提高，例如空間分辨率和頻移精度之間存在的權(quán)衡問題。

(2)BOFDA(布里淵光纖頻域分析儀)不同于 BOTDA 定位方法，BOFDA 是基于測(cè)量光纖的傳輸函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量點(diǎn)定位的一種傳感方法。這個(gè)傳輸函數(shù)把探測(cè)光和經(jīng)過光纖傳輸?shù)谋闷止獾膹?fù)振幅與光纖的幾何長度關(guān)聯(lián)起來，通過計(jì)算光纖的沖擊響應(yīng)函數(shù)確定沿光纖的應(yīng)變和溫度信息。

(3)BOTDR(布里淵光時(shí)域反射儀)與在光纖測(cè)量中廣泛應(yīng)用的 OTDR 技術(shù)相似。在BOTDR 中測(cè)量的是布里淵散射信號(hào),與布里淵散射光頻率相關(guān)的光纖材料特性主要受溫度和應(yīng)變的影響，因此,通過測(cè)定脈沖光的后向布里淵散射光的頻移就可實(shí)現(xiàn)分布式溫度、應(yīng)變測(cè)量。

2.3 基于喇曼散射原理的分布式光纖傳感器

（1）ROTDR (喇曼光時(shí)域反射儀)當(dāng)激光注入到光纖中后,會(huì)同時(shí)產(chǎn)生瑞利散射、布里淵散射和喇曼散射效應(yīng)。其中因?yàn)槔⑸涞墓庾V頻率離其它兩種散射的光譜頻率有較大差別，同時(shí)又由于反斯托克斯散射光強(qiáng)對(duì)溫度很敏感且與溫度成線性關(guān)系,所以人們利用喇曼散射發(fā)明了ROTDR(喇曼光時(shí)域反射儀)用來傳感溫度。由于光纖彎曲、接續(xù)等原因會(huì)引起反斯托克斯光的衰減,從而影響對(duì)光纖中實(shí)際溫度的判斷,所以一般通過反斯托克斯光和斯托克斯光的比值來確定光纖中的溫度,以消除由上述原因及激光器功率不穩(wěn)定引起的誤差。

（2）ROFDR( 喇曼光頻域反射儀)是利用喇曼散射光來傳感溫度信息的傳感器。光頻域反射儀OFDR是1990年代逐步發(fā)展起來的一種高分辨率的光纖測(cè)量技術(shù)。不同于光時(shí)域反射儀OTDR向系統(tǒng)內(nèi)發(fā)射的是時(shí)域的脈沖信號(hào)，OFDR發(fā)射入系統(tǒng)的是利用窄帶激光器和聲光調(diào)制器產(chǎn)生的掃頻光信號(hào)，再通過光外差檢測(cè)技術(shù)，通過專門的算法來分析檢測(cè)到的信號(hào)。喇曼光頻域反射（ROFDR）技術(shù)是在OFDR基礎(chǔ)上提出的。被等距調(diào)制的基頻為f0的激光進(jìn)入測(cè)試光纖，被等距調(diào)制的基頻為f0的激光進(jìn)入測(cè)試光纖，輸入光功率為，，其中，是平均值，是振幅，是初始相位，t是時(shí)間。

3.分布式光纖傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域

分布式光纖傳感器的應(yīng)用范圍很廣，幾乎涉及國民經(jīng)濟(jì)和國防上所有重要領(lǐng)域和人們的日常生活，尤其可以應(yīng)用在惡劣環(huán)境中，進(jìn)一步解決了許多行業(yè)的技術(shù)難題，具有很大的市場(chǎng)需求。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）建筑工程。在建筑工程中，可以利用光纖傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁、大壩、重要建筑物等的溫度、應(yīng)力、壓力、振動(dòng)、傾角等物理量，以評(píng)估其短期及長期的結(jié)構(gòu)安全性能。連續(xù)分布式光纖傳感器則可以將任何一項(xiàng)大型建筑工程與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，通過溫度和應(yīng)力的檢測(cè)，24小時(shí)監(jiān)測(cè)工程的“健康狀況”。

（2）醫(yī)學(xué)及生物傳感器。在臨床醫(yī)學(xué)上，由于光纖傳感器柔軟、小巧、自由度大、絕緣、不受射頻和微波干擾、測(cè)量精度高，常用于對(duì)人體血管等的探測(cè)，人體外科校正和超聲波場(chǎng)測(cè)量等。光纖內(nèi)窺鏡使得檢查人體的各個(gè)部位幾乎都是可行的，且操作中不會(huì)引起病人的痛苦與不適，其中光纖血管鏡已應(yīng)用于人類的心導(dǎo)管檢查中。

（3）軍事安防。分布式光纖傳感器可用于水聲探潛（光纖水聽器）、光纖測(cè)導(dǎo)、姿態(tài)控制（光纖陀螺）、航天航空器的結(jié)構(gòu)損傷探測(cè)（智能蒙皮）以及戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的探測(cè)等方面。在航空航天領(lǐng)域中，利用光纖陀螺測(cè)量導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)過程中的俯仰角、偏航角和橫滾角，以引導(dǎo)導(dǎo)彈準(zhǔn)確命中目標(biāo)。

[1]張志鵬,Gambling W A.著.光纖傳感器原理,北京.?中國計(jì)童出版社，1991.

[2]李文植.光纖傳感器的發(fā)展及其應(yīng)用綜述[J]. 科技創(chuàng)業(yè)月刊，2005（7）:153-154.

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