分布式光纤传感技术的特点与研究现状

    1 、分布式传感光纤技术的特点

    分布式光纤传感技术具有同时获取在传感光纤区域内随时间和空间变化的被测量分布信息的能力，其基本特征为[1]：

    ①　分布式光纤传感系统中的传感元件仅为光纤；

    ②　一次测量就可以获取整个光纤区域内被测量的一维分布图，将光纤架设成光栅状，就可测定被测量的二维和三维分布情况；

    ③　系统的空间分辨力一般在米的量级，因而对被测量在更窄范围的变化一般只能观测其平均值；

    ④　系统的测量精度与空间分辨力一般存在相互制约关系；

    ⑤　检测信号一般较微弱，因而要求信号处理系统具有较高的信噪比；

    ⑥　由于在检测过程中需进行大量的信号加法平均、频率的扫描、相位的跟踪等处理，因而实现一次完整的测量需较长的时间。

    2、分布式光纤传感技术研究现状

    分布式光纤传感技术一经出现，就得到了广泛的关注和深入的研究，并且在短短的十几年里得到了飞速的发展．依据信号 的性质，该类传感技术可分为4类：①利用后向瑞利散射的传感技术；②利用喇曼效应的传感技术；③利用布里渊效应的传感技术；④利用前向传输模耦合的传感技术．

    2.1、利用后向瑞利散射的分布式光纤传感技术

    瑞利散射是入射光与介质中的微观粒子发生弹性碰撞所引起的，散射光的频率与入射光的频率相同．在利用后向瑞利散射的光纤传感技术中，一般采用光时域反射（OTDR）结构来实现被测量的空间定位，典型传感器的结构如图1所示．依据瑞利散射光在光纤中受到的调制作用，该传感技术可分为强度调制型和偏振态调制型。

图1　后向散射型分布式光纤传感器基本系统框图

    2.1.1　强度调制型[2]

    当一束脉冲光在光纤中传播时，由于光纤中存在折射率的微观不均匀性，会产生瑞利散射．如果外界物理量的变化能够引起光纤的吸收、损耗特性或瑞利散射系数的变化，那么通过检测后向散射光信号的强度就能够获得外界物理量的大小．目前基于对后向瑞利散射光进行强度调制的传感器有利用微弯损耗构成的分布式光纤力传感器、利用光纤材料在放射线照射下所引起光损耗构成的分布式辐射传感器，利用化学染料对光的吸收特性构成的分布式化学传感器，利用液芯光纤瑞利散射系数与温度的关系构成的分布式温度传感器。

    2.1.2　偏振态调制型

    偏振态光时间域反射法（POTDR）最初是由Rogers[3]提出的，其基本原理是，如果光纤受一些外界物理量的调制，那么光的偏振态就会随之发生变化，而瑞利散射光在散射点的偏振方向与入射光相同，所以在光纤的入射端对后向瑞利散射光的偏振态和光信号的延迟时间进行检测就可获得外界物理量的分布情况．由于磁场、电场、横向压力和温度都能够对光纤中光的偏振态进行调制，因此该技术可用于实现多个物理量的测量。

    基于后向瑞利散射的传感技术是现代分布式光纤传感技术的基础，它在80年代初期得到了广泛的发展．然而由于该技术难以克服测量精度低、传感距离短的缺陷，目前在这方面的研究已鲜有报道。

    2.2、利用拉曼效应的分布式光纤传感技术

    2.2.1　利用自发拉曼散射的分布式温度传感技术

    光通过光纤时，光子和光纤中的光声子会产生非弹性碰撞，发生喇曼散射，波长大于入射光为斯托克斯光，波长小于入射光为反斯托克斯光．斯托克斯光与反斯托克斯光的强度比和温度的关系可由下式表示：

    R(T)=(λs/λA)4exp(-hcu/KT)
　　　　　
    (1)式中　h－普朗克常数；
    c－真空光速；
    K－波尔兹曼常数；
    T－绝对温度．

    因而这一关系与光时域反射技术结合就可构成分布式温度传感器。图2是该类传感器的基本结构框图。采用斯托克斯光与反斯托克斯光的强度比可消除光纤的固有损耗和不均匀性所带来的影响。

图2　基于自发喇曼散射的分布式光纤温度传感器原理框图

    基于拉曼散射的分布式温度传感技术是分布式光纤传感技术中最为成熟的一项技术．对该技术开展研究工作的主要有英国的King大学[4]，中国的重庆大学[5]和中国计量学院[6]。目前，该类传感器的一些产品已出现在国际、国内市场，最为著名的是英国York公司的DTS80，它的空间分辨力和温度分辨力分别能达到1m、1℃，测量范围为4～8km。

    2.2.2　利用受激拉曼效应的分布式应力传感技术

    该传感技术最初是由Farries和Rogers[7]提出的。处于传感光纤两端的Nd:YAG激光器和He-Ne激光器分别发出一波长为617nm脉冲光和一波长为633nm连续波．由于两束光的频率差处于喇曼放大的增益谱内，连续光受脉冲光的作用就以喇曼增益放大．由于喇曼增益对脉冲光和探测光的偏振态极其敏感，而两束光的偏振态能被光纤上的横向应力所调制，因此利用连续光的强度和光在光纤中的传播时间就可获得横向应力在光纤上的分布。

    2.3、利用布里渊效应的分布式光纤传感技术

    2.3.1　利用自发布里渊散射的分布式光纤温度、应变传感技术

    光通过光纤时，光子和光纤中因自发热运动而产生的声子会产生非弹性碰撞，发生自发布里渊散射．散射光的频率相对入射光的频率发生变化，这一变化的大小与散射角和光纤的材料特性有关．与布里渊散射光频率相关的光纤材料特性主要受温度和应变的影响，因此，通过测定脉冲光的后向布里渊散射光的频移就可实现分布式温度、应变测量．Tkach等人在1989年提出了一种基于该原理的分布式传感器[8]．Parker等人于1997年通过实验观察到温度、应变与自发布里渊散射光的功率分别存在正、反比例关系，并依据布里渊散射光的频移与温度和应变的变化成正比的实验结果而提出，通过求解功率变化与频率变化的耦合方程可实现单根光纤上温度与应变同时测量[9]。

    2.3.2　利用受激布里渊效应的分布式温度、应变传感技术该技术

    最初是由日本NTT的Horiguchi[10]提出的，由于它在温度、应变测量上所能达到的测量精度、传感长度和空间分辨力高于其它传感技术，目前得到广泛的关注与研究。基于该技术的传感器的典型结构为布里渊放大器结构，如图3所示。处于光纤两端的可调谐激光器分别将一脉冲光与一连续光注入传感光纤，当两束光的频率差处于相遇光纤区域中的布里渊增益带宽内时，两束光就会在作用点产生布里渊放大器效应，相互间发生能量转移。在对两束激光器的频率进行连续调整的同时，通过检测从光纤一端射出的连续光的功率，就可确定光纤各小段区域上布里渊增益达到最大时所对应的频率差．所确定的频率差与光纤上各段区域上的布里渊频移相等，因此在光纤上与布里渊频移成正比的温度和应变就随之确定．该传感技术所能达到的测量精度主要依赖于两台激光器的调谐精度。

图3　基于受激布城渊效应的分布式光纤传感器框图

    当脉冲光的频率高于连续光的频率时，脉冲光的能量向连续光转移，这种传感方式称为布里渊增益型；当脉冲光的频率低于连续光的频率时，连续光的能量向脉冲光转移，这种传感方式称为布里渊损耗型．当光纤上的温度或应变为均匀分布时，布里渊增益传感方式会引起脉冲光能量的急剧降低，从而难以实现长距离的检测；布里渊损耗传感方式则引起脉冲光能量的升高，从而能实现长距离的检测．加拿大的鲍晓毅等人采用布里渊损耗的方式实现了长达51km的传感长度，并在近期实现了0.5m的空间分辨力[11]．德国的Garus也提出了一种基于频率域分析法的新型分布式光纤传感技术[12]，它同样利用布里渊频移来实现温度和应变的传感，但在实现被测量的空间定位时没有利用传统的光时域反射法，而是利用了受激布里渊散射的频谱特性。

    2.4、利用传输模耦合的分布式传感技术

    该传感器的一般形式是，光的入射与探测分别处于光纤的两端．如果传感光纤支持不同传播速度的两种传输模，那么在一定外界条件的作用下，光纤本征传输模的一部分能量就会耦合到另一传输模。因此在光纤另一端输出的耦合模的强度就能反映出被测量的大小，两传输模之间的延迟时间则反映出耦合点的位置。

    Frank于1986年采用调频载波法来测量一双折射光纤上横向应力的分布[13]。Katrotsios于1987年提出一种采用迈克尔逊干涉仪的相位测量方案[14]。

    该传感技术在理论上可得到极高的空间分辨力，但在实现上存在很大的困难．

    3、分布式光纤传感技术的应用与发展

    由于分布式光纤传感技术能够实现大范围测量场中分布信息的提取，因而它可解决目前测量领域的众多难题，如：分布式温度传感器可用于大、中型变压器、发电机组和油井的温度分布测量，大型仓库、油库、高层建筑、矿井和隧道的火灾防护及报警系统等领域；分布式应力传感器可用于桥梁、堤坝等设施的安全检测，航空、航天飞行器等大型设备老化程度的检测，智能材料制备等领域。然而，为了实现快速、稳定、可靠及高精度的测量，仍需要进行多方面的研究。今后的研究重点也将主要放在以下几个方面：

    ①　实现单根光纤上多个物理参数（温度和应变）或化学参数的同时测量；
    ②　提高信号接收和处理系统的检测能力，提高系统的空间分辨力和测量不确定度；
    ③　提高测量系统的测量范围，减少测量时间；
    ④　新的传感机理的研究．【MechNet】