分布式光纤传感器论文.doc

1 •绪论1.1分布式光纤传感器的背景和意义分布式光纤传感器是采用独特的分布式光纤探测技术，对沿光纤传输路径上的空 间分布和随吋间变化信息进行测量或监控的传感器它将传感光纤沿场排布，可以 同吋获得被测场的空间分布和随吋间的变化信息，对于许多工业应用有许多吸引 力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H前测量领域的众多难题，血分布式光纤传感器是采用分布式光纤传感技术的 装置分布式光纤传感技术是在70年代末提出的，它是随着现在光纤工程中仍应用 十分广泛的光时域反技术的出现而发展起来的.在这十几年里，产生了一系列分布 式光纤传感机理和测量系统，并在多个领域得以逐步应用.H前，这项技术已成为 光纤传感技术中最具前途的技术之一基于散射原理的分布式光纤传感器主要有三种：基于瑞利散射的分布式光纤传 感器，基于拉曼散射的分布式光纤传感器，基于布里渊散射的分布式光纤传感器 分布式光纤传感器在问世近三十年的时间里得到了广泛的关注和大量的研究，H前 己有部分产品走向了实际应用与传统的传感器相比，光纤传感器具有轻质，耐腐蚀，耐高温，防水防潮，抗 电磁干扰等一系列优点，因此在恶劣环境中颇具用途。

而分布式光纤传感技术除具 备上述特点以外，还具备实吋获取在传感光纤区域内随吋间和空间变化的被测量分 布信息的能力准确的说，它可以精确测量光纤沿线上任一点的温度，应力，弯曲, 振动等信息，如果把光纤纵横交错连接成网状，则可以构成规模庞大的地毯式动态 监测网，实现对H标的实吋全方位检测，克服传统点式监测漏检的弊端，提高监测 的成功率分布式光纤传感器应敷设在结构易出现损伤或者结构的应变变化对外部 环境因素较敏感的部位，以获得良好的监测效果1.2分布式光纤传感器的发展光纤传感技术是在上世纪七十年代伴随着光纤通信的蓬勃发展血提出来的，它 与光吋域反射技术密切结合迅速崛起，经过儿十年的发展而在多个领域广泛应用从20世纪70年代末提出到现在短短二十儿年里，分布式光纤传感技术取得 了相为大的发展，并在以下三个方面取得了突破：基于瑞利散射的分布式传感技术; 基于布里渊散射的分布式传感技术；基于拉曼散射的分布式传感技术其中基于瑞 利散射和拉曼散射的分布式传感技术的研究已经趋于成熟，并逐步走向实用化基 于布里渊散射的分布式传感技术的研究起步较晚，但由于它在温度、应变测量上所 达到测量精度、测量范围以及空间分辨率均高于其它传感技术，因此这种技术在H 前得到了广泛的关注与研究。

分布式光纤传感器不仅具备一般光纤传感器的优点，还可以同吋测得待测物理量 随时间和空间变化的连续分布，并向智能化、网络化发展，具有良好的应用前景， 逐渐成为国内外研究的热点光纤传感技术的发展，也促进多方面的传感术的发展光纤传感网络的出现，促 进了智能材料和智能结构的发展；光子晶体光纤用于传感的可能性促进了光子晶体 的发展等智能材料是指将敏感元件嵌入被测构件机体和材料中，从而在构件或材 料常规工作的同时实现对其安全运转、故障等的实时监控其小，光纤和电导线与多种材料的有效结合是关键问题z-—由于很多光纤传感器的开发是以取代为前己被广泛采用的传统机电传感系统为 H的，所以尽管光纤传感器具有诸多优势，其山场渗透所面临的困难和挑战仍很巨 大而那些具有前所未有全新功能的光纤传感器则在竞争中占有明显优势在很多 领域，光纤传感技术尚未实现产业化，许多关键技术仍然停留在实验室样机阶段， 距商业化还有一定的距离因此分布式光纤传感器的发展空间非常大，但应用开发 任重道远2・分布式光纤传感器的原理H前对基于散射机理的分布式光纤传感器的研究主要集中在瑞利散射、拉曼散射 和布里渊散射三个方而，其中基于瑞利散射和拉曼散射的分布式光纤传感器己经比 较成熟并己走向商用化。

基于布里渊散射的分布式光纤传感器的研究起步较晚，但 由于它的测量精度、空间分辨率等高于其他传感技术，因此这种技术在H前得到广 泛关注与研究本节主要基于散射机理的三种分布式光纤传感器2. 1瑞利散射2. 1. 1光纤中的背向瑞利散射及传感类型(1)光纤小的背向瑞利散射由于瑞利散射主要是由光纤纤芯密度不均匀导致折射率不均匀而引起，是一种 弹性散射所以瑞利散射光的频率和入射光的频率相同，并且散射光的强度与入射 光的衰减和传输距离等相关沿光纤传播的光在纤芯内各处都会有损耗，一部分沿 光纤传播方向成180的方向散射，返回光源方向，这就是光纤中背向瑞利散射原 理根据瑞利邱射这些特点为原理来检测光纤的断点及衰减特性的传感器是采用最 典型的光吋域反射(Optical Time Domnin Reflectometry, OTDR)技术瑞利散射是指散射光波长等于入射光波长，而且散射粒子远远小于入射光波 长，没有频率移动的弹性光散射瑞利散射是光纤小最强的自发散射过程瑞利散 射是光纤的一种固有特性，当光波在光纤中传输时，遇到光纤纤芯折射率门在微观 上随机起伏而引起的线性散射图1 •背向散射光分析（2）基于瑞利散射的分布式光纤传感器因为瑞利散射光的波长与入射光的波长相同，并且光功率与入射点的光功率成 比例关系，因此通过测量沿光纤轴向返回的背向瑞利散射光功率，就可以获得沿光 纤传输损耗衰减信息，从而可以检测到外界信号场分布于传感光纤上的扰动信息。

由于瑞利散射属本征损耗，因此可以作为应变、抖动、断点等参量的信息载体，提 供沿光路全程的连续检测信号基于背向瑞利散射的传感技术对于均匀、连续、无接头和缺陷的光纤，背向散 射法测量衰减的结果是足够准确的它是现代分布式光纤传感技术的基础，它在80 年代初期就得到了广泛的发展，H前己经比较成熟并己走向商业化2. 1.2基于瑞利散射的0TDR0TDR是基于测量后向瑞利散射光信号的实用化测量仪器利用0TDR可以方便 地从单端对光纤进行非破坏性的测量，它能连续显示整个光纤线路的损耗相对于距 离的变化如图2所示，0TDR测试是通过将光脉冲注入到光纤中，半光脉冲在光纤 内传输时，会由于光纤本身的性质、连接器、接头、弯曲或其它类似的事件而产生 散射、反射，其中一部分的散射光和反射光经过同样的路径延时返回到0TDR中 0TDR根据入射信号与其返回信号的时间差丁 ，利用下式就可计算岀上述事件点 0TDR的距离：d - cr /（2n）式中c为光在真空中的速度，n为光纤纤芯的有效折射率图2•光纤中光散射2. 2受激布里渊散射2. 2. 1光纤中的受激布里渊散射及传感类型（1）光纤中的受激布里渊散射光纤中的受激布里渊产牛过程是由泵浦波、斯托克斯波通过声波进行的非线性 相互作用，泵浦波通过电致伸缩产生声波，然后引起介质折射率的周期性调制。

如 2. 2所示，具体产生过程是：半泵浦光VP在光纤中传播并超过某一阈值吋，光纤内 产生的屯致伸缩效应将会沿光纤产生周期性频移为W的相干声波该声波沿其传播 方向周期性的调制光纤折射率，从而形成了一个以声速和运动的折射率光栅，该折 射率光栅通过布拉格衍射泵浦光由于多普勒位移与以声速和移动的光栅有关，使 散射光频移下移了枷，即产生了Vs=Va-Vb的斯托克斯光所以斯托克斯光和声波相 干放大，导致泵浦光的能量向斯托克斯光转移，产生受激布里渊散射图2. 2受激布里渊散射原理（2）基于受激布里渊散射的分布式光纤传感器基于SBS的分布式光纤传感器是通过解调被温度或应变调制的斯托克斯光频移或 强度来实现测量的由光纤两端的激光器1和激光器2分别产牛脉冲光（泵浦光）和 连续光（探测光），并注入光纤，当泵浦光和探测光的频差为布里渊频移Vb吋，就会 产生布里渊放大效应，即布里渊受激放大作用当光纤的某一部分有温度或应变变 化时，那里的布里渊频移便由Vb变为Vb'，并且这时斯托克斯信号光功率也会发生 变化由于布里渊频移和斯托克斯光功率都与温度、应变存性关系，因此，通 过在光纤泵浦光输入端检测反射回来的斯托克斯光的功率或者布里渊频移，就可以 确定光纤各小段区域上能量变化或者频移变化，从而得到温度、应变信息，实现分 布式测量。

2. 2. 2基于受激布里渊散射的BOTDR以及BOTDA基于布里渊散射光时域反射仪（BOTDR）的分和式光纤传感器是和里渊散射和OTDR 探测技术相结合构成的分布式应变传感器，原理如图3所示探测器接收的是布里 渊后向散射光，它相对于入射光脉冲会发生频移布里渊频移枷主要由入射光频 率vo、纤芯折射率］［、光纤内声速V等决定：Vb = （2vo/c） nV当光纤的温度和应变发生变化吋，光纤纤芯的折射率n和声速V会发生相应的变化, 从而导致布里渊频移的改变通过检测布里渊频移的变化量就可获知温度和应变的 变化量同吋，通过测定该散射光的回波吋间就可确定散射点的位置图3•基于BOTDR的分布式光纤传感系统的基本框图FI前，基于布里渊散射的温度P应变传感技术的时域反射研究主要集中在基于BOTDR 技术的分布式光纤传感技术和基于布里渊光吋域分析（BOTDA）技术的分布式光纤传感技术两种传感技术对空间的定位都是基于OTDR技术，通过反射信号和入射 信号0间的时间差来确定空间位置BOTDR的自发布里渊散射信号相为微弱（比 瑞利散射约小两个数量级），检测比较困难，因此基于BOTDR的分布式光纤传感技 术的研究主要集中在布里渊信号的检测上。

BOTDA技术最初由Honguc等人提出基于该技术的传感器典型结构如图4所 示处于光纤两端的可调谐激光器分别将一脉冲光（泵浦光）与一连续光（探测光） 注入传感光纤，当泵浦光与探测光的频差与光纤中某区域的布里渊频移相等时，在 该区域就会产生布里渊放大（受激布里渊）效应，两光束相互Z间发生能量转移 由于布里渊频移与温度、应变存性关系，因此，对两激光器的频率进行连续调 节的同时，通过检测从光纤一端耦合出来的连续光的光功率，就可确定光纤各小段 区域上能量转移达到最大时所对应的频率差，从而得到温度、应变信息，实现分布 式测量，且测量精度较高H前，通过布里渊频率信号同吋测量温度和应力的研究 正在广泛进行中图4基于B0TDA的分布式光纤传感系统基本框图2. 3拉曼散射2. 3. 1光纤中的拉曼散射及传感类型（1）光纤中的拉曼散射拉曼散射效应是入射光与散射介质发生非弹性碰撞，在相互作用吋，入射光可 以放出或吸收一个与散射介质分子振动相关的高频声子，一个为斯托克斯 光，另一•个为反斯托克斯光自发拉曼散射中反斯托克斯光与斯托克斯光强 度之比满足下而公式：i是激光脉冲的频率，"是振动频率，h是普朗克常数，k是Boltzmann常 数，T是绝对温度。

从上式可以看出，光纤的材料决定了分子振动的频率5 则根据上式反斯托克斯分量与斯托克斯分量强度之比就可以唯一确定温度 To这就是基于拉曼散射测温的原理2）基于拉曼散射的分布式光纤传感器在光谱图上，可以看到拉曼散射频谱具有两条谱线，分别在入射光谱线的两 侧，其中频率为v0-Av的为斯托克斯光，频率为v() + Av的为反斯托克斯光实验 发现在自发拉曼散射中，反斯托克斯光对温度敏感，其强度受温度调制，而斯托克 斯基本上与温度无关，两者光强度比只和温度有关，并可有下式表示：式中，(门为待测温度的函数，为反斯托克斯光强，人为斯托克斯光强，%为 反斯托克斯光频率，叫为斯托克斯光频率，力为普朗克常量，£为波尔兹曼常量厂 为绝对温度因此，以反斯托克斯光作为信号通道，斯托克斯光作为参考通道，检测两者光 强的比值，就可以解调出散射区的温度信息，同吋还可以有效的消除光源的不稳定 以及光线传输过程中的耦合损耗、光纤弯曲损耗和传输损耗等的影响拉曼散射分布式光纤传感器的唯一不足之处是返回信号相当弱，因为反斯托克 斯散射。