分布式光纖傳感技術(shù)的特點與研究現(xiàn)狀

    1 、分布式傳感光纖技術(shù)的特點

    分布式光纖傳感技術(shù)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(shè)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(guān)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(jìn)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(shù)研究現(xiàn)狀

    分布式光纖傳感技術(shù)一經(jīng)出現(xiàn)，就得到了廣泛的關(guān)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(shù)可分為4類：①利用后向瑞利散射的傳感技術(shù)；②利用喇曼效應(yīng)的傳感技術(shù)；③利用布里淵效應(yīng)的傳感技術(shù)；④利用前向傳輸模耦合的傳感技術(shù)．

    2.1、利用后向瑞利散射的分布式光纖傳感技術(shù)

    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(shù)中，一般采用光時域反射（OTDR）結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)被測量的空間定位，典型傳感器的結(jié)構(gòu)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(shù)可分為強(qiáng)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(qiáng)度調(diào)制型[2]

    當(dāng)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(qiáng)度就能夠獲得外界物理量的大?。壳盎趯笙蛉鹄⑸涔膺M(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制的傳感器有利用微彎損耗構(gòu)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(gòu)成的分布式輻射傳感器，利用化學(xué)染料對光的吸收特性構(gòu)成的分布式化學(xué)傳感器，利用液芯光纖瑞利散射系數(shù)與溫度的關(guān)系構(gòu)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(jìn)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(jìn)行調(diào)制，因此該技術(shù)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(shù)是現(xiàn)代分布式光纖傳感技術(shù)的基礎(chǔ)，它在80年代初期得到了廣泛的發(fā)展．然而由于該技術(shù)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(yīng)的分布式光纖傳感技術(shù)

    2.2.1　利用自發(fā)拉曼散射的分布式溫度傳感技術(shù)

    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(qiáng)度比和溫度的關(guān)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(guān)系與光時域反射技術(shù)結(jié)合就可構(gòu)成分布式溫度傳感器。圖2是該類傳感器的基本結(jié)構(gòu)框圖。采用斯托克斯光與反斯托克斯光的強(qiáng)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(shù)是分布式光纖傳感技術(shù)中最為成熟的一項技術(shù)．對該技術(shù)開展研究工作的主要有英國的King大學(xué)[4]，中國的重慶大學(xué)[5]和中國計量學(xué)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(dá)到1m、1℃，測量范圍為4～8km。

    2.2.2　利用受激拉曼效應(yīng)的分布式應(yīng)力傳感技術(shù)

    該傳感技術(shù)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(yīng)力所調(diào)制，因此利用連續(xù)光的強(qiáng)度和光在光纖中的傳播時間就可獲得橫向應(yīng)力在光纖上的分布。

    2.3、利用布里淵效應(yīng)的分布式光纖傳感技術(shù)

    2.3.1　利用自發(fā)布里淵散射的分布式光纖溫度、應(yīng)變傳感技術(shù)

    光通過光纖時，光子和光纖中因自發(fā)熱運(yùn)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(guān)．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(yīng)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(yīng)變與自發(fā)布里淵散射光的功率分別存在正、反比例關(guān)系，并依據(jù)布里淵散射光的頻移與溫度和應(yīng)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(yīng)變同時測量[9]。

    2.3.2　利用受激布里淵效應(yīng)的分布式溫度、應(yīng)變傳感技術(shù)該技術(shù)

    最初是由日本NTT的Horiguchi[10]提出的，由于它在溫度、應(yīng)變測量上所能達(dá)到的測量精度、傳感長度和空間分辨力高于其它傳感技術(shù)，目前得到廣泛的關(guān)注與研究?；谠摷夹g(shù)的傳感器的典型結(jié)構(gòu)為布里淵放大器結(jié)構(gòu)，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(dāng)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(yīng)，相互間發(fā)生能量轉(zhuǎn)移。在對兩束激光器的頻率進(jìn)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(dá)到最大時所對應(yīng)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(yīng)變就隨之確定．該傳感技術(shù)所能達(dá)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(yīng)的分布式光纖傳感器框圖

    當(dāng)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(dāng)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(dāng)光纖上的溫度或應(yīng)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(dá)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(shù)[12]，它同樣利用布里淵頻移來實現(xiàn)溫度和應(yīng)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(shù)

    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(qiáng)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(yīng)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(shù)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(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

    由于分布式光纖傳感技術(shù)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(lǐng)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(jī)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(zāi)防護(hù)及報警系統(tǒng)等領(lǐng)域；分布式應(yīng)力傳感器可用于橋梁、堤壩等設(shè)施的安全檢測，航空、航天飛行器等大型設(shè)備老化程度的檢測，智能材料制備等領(lǐng)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(jìn)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(yīng)變）或化學(xué)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(jī)理的研究．【MechNet】