36基于瑞利散射的分布式光纤传感技术

光纤中的散射光当光（电磁）波射入介质时，若介质中存在某些不均匀性（如电场、相位、粒子数密度n、声速v等）使光（电磁）波的传播发生变化，有一部分能量偏离预定的传播方向而向空间中其他任意方向弥散开来，这就是光散射。光的散射现象的表现形式是多种多样的，从不同的角度出发，可有不同的分类，但从产物的物理机制来看，可以分为两大类：第一类是非纯净介质中的光散射，该散射现象不是介质本身所固有的，而强烈地依赖于掺杂进来的散射中心的性质或介质本身的纯净度。其规律主要表现为：散射光的频率与入射光的频率相同；散射光的强度与入射波长成一定关系。第二类是纯净介质中的散射，即使所考虑的介质是由成分相同的纯物质组成，其中不含有外来掺杂的质点、颗粒或结构缺陷等，仍然有可能产生光的散射现象，这些散射现象是介质本身所固有的，与介质本身的纯净度没有本质上的关系。属于这类纯净介质的散射现象有如下几种：1）瑞利散射设介质是由相同的原子或分子组成，由于这些原子或分子空间分布的随机性的统计起伏（密度起伏），造成与电极化特性相应的随机性起伏，而形成入射光的散射。这种散射现象的特点是频率与入射光频率相同，在散射前后原子或分子内能不发生变化，散射光强度与入射光波长的四次方成反比。2）拉曼散射这种散射现象通常发生在由分子组成的纯净介质中，组成介质的分子是由一定的原子或离子组成的，它们在分子内部按一定的方式运动（振动或转动），分子内部粒子间的这种相对运动将导致感生电偶极矩随时间的周期性调制，从而可以产生对入射光的散射作用；在单色光入射的情况下，这将使散射光的频率相对于入射光发生一定的移动，频移量正好等于上述调制频率，亦即与散射分子的组成和内部相对运动规律有关。3）布里渊散射对于任何种类的纯净介质来说，由于组成介质的质点群连续不断的做热运动，使得在介质内始终存在着不同程度上的弹性力学振动或声波场。连续介质的这种宏观弹性力学振动，意味着介质密度（从而也是折射率）随时间和空间的周期性起伏，因而可对入射光产生散射作用，这种作用类似于超声波对光的衍射作用，并且散射光的频移大小与散射角及介质的声波特性有关。光纤中的散射光谱可以看出，在光纤背向散射谱分布图中，激发线0v两侧的频谱是成对出现的。在低频一侧频率为0vv的散射光为斯托克斯光Stokes；在高频的一侧频率为0vv的散射光为反斯托克斯光anti-Stoke，它们同时包含在拉曼散射和布里渊散射谱中。1、基于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引起的，散射光的频率与入射光的频率相同。一般采用光时域反射（OTDR）结构来实现被测量的空间定位。瑞利散射的原理是沿光纤传播的光在纤芯内各点都会有损耗，一部分光沿着与光纤传播方向成180°的方向散射，返回光源。利用分析光纤中后向散射光的方法测量因散射、吸收等原因产生的光纤传输损耗和各种结构缺陷引起的结构性损耗，通过显示损耗与光纤长度的关系来检测外界信号场分布于光纤上的扰动信息。由于瑞利散射属于本征损耗，因此可以作为应变场检测参量的信息载体，提供沿光路全程的单值连续检测信号。利用光时域反射（OTDR）原理来实现对空间分布的温度的测量。当窄带光脉冲被注入到光纤中去时，该系统通过测后向散射光强随时间变化的关系来检查光纤的连续性并测出其衰减。入射光经背向散射返回到光纤入射端所需的时间为t，激光脉冲在光纤中所走过的路程为2L=v*t。v是光在光纤中传播的速度，v=c/n，c为真空中的光速，n为光纤的折射率。在t时刻测量的是离光纤入射端距离为L处局域的背向散射光。采用OTDR技术，可以确定光纤处的损耗，光纤故障点、断点的位置。2、基于拉曼散射的分布式光纤传感技术光在光纤中传播时，光纤中的光学光子和光学声子产生非弹性碰撞，产生拉曼散射过程。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0vv的为斯托克斯光，频率为0vv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（anti-Stokes）对温度敏感，其强度受温度调制，而斯托克斯（Stokes）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：40()()exp()asasssITvhvRTITvkT（1）式中，()RT为待测温度的函数，asI为反斯托克斯光强，sI为斯托克斯光强，asv为反斯托克斯光频率，sv为斯托克斯光频率，h为普朗克常量，k为波尔兹曼常量，T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，同时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光比瑞利散射光强要弱20┄30dB。为了避免信号处理过程中信号平均时间过长，脉冲激光源的峰值功率相当高。3、基于布里渊散射的分布式光纤传感技术由于介质分子内部存在一定形式的振动，引起介质折射率随时间和空间周期性起伏，从而产生自发声波场。光定向入射到光纤介质时受到该声波场的作用，光纤中的光学声子和光学光子发生非弹性碰撞，则产生布里渊散射。在布里渊散射中，散射光的频率相对于泵浦光有一个频移，该频移通常称为布里渊频移。散射光布里渊频移量的大小与光纤材料声子的特性有直接关系。当与散射光频率相关的光纤材料特性受温度和应变的影响时，布里渊频移大小将发生变化。因此通过测定脉冲光的后向布里渊散射光的频移量就可以实现分布式温度应变测量。光纤中布里渊散射通过相对于入射泵浦波频率下移的斯托克斯波的产生来表现，布里渊散射可以看作是泵浦波和斯托克斯波、声波之间的参量相互作用。散射产生的布里渊频移量与光纤中的声速成正比：2/BAfnV（2）式中，AV为光纤中的声速，为光波长。而光纤中的折射率和声速都与光纤的温度以及所受的应力等因素有关，这使布里渊频移Bf随参数的变化而变化，温度和光纤应变都会造成布里渊频率的线性移动，可表示为：(0)()()BBffffTCT（3）实验发现，布里渊功率也随温度和应变而变化，布里渊功率随温度的上升而线性增加，随应变增加而线性下降。因此布里渊功率也可表示为：0()()BPPPPTCT（4）其中，(0)Bf，0P分别为0TC，应变为0时的布里渊频移和功率，fT、f分别为布里渊频移对应的温度系数和应变系数，PT、P分别为布里渊光功率对应的温度系数和应变系数。由于应变相对于温度对布里渊散射光功率的影响要小的多，一般可以忽略，而认为布里渊散射光功率只与温度有关。因此由3、4两式可知，通过检测布里渊散射光的光功率和频率即可得到光纤沿线的温度、应变等的分布信息。目前对布里渊散射的分布式光纤传感器主要集中在以下三个方面的研究：1.基于布里渊光时域反射（BOTDR）技术的分布式光纤传感器；基于BOTDR技术的光纤传感技术是在传统的光时域反射仪（OTDR）基础上发展起来的。在OTDR系统中，光脉冲注入光纤系统的一端，光纤中的背向瑞利散射光作为时间的函数，同时带有光纤沿线温度/应变分布的信息：散射光与脉冲光之间的时间延迟提供对光纤的位置信息的测量，散射光的强度提供对光纤的衰减测量。在BOTDR中，背向的自发布里渊散射取代了瑞利散射，由于布里渊散射受温度和应变的影响，因此通过测量布里渊散射便可以得到温度和应变信息。布里渊散射极其微弱，相对于瑞利散射来说要低大约2┄3个数量级，而且相对于Raman散射来说布里渊频移很小（对于一般光纤1550nm时约11GHz左右），检测起来较为困难。通常采用的检测方法有直接检测和相干检测两种。对于布里渊散射信号的直接检测需要将微弱的布里渊散射光从瑞利背向散射光中分离出来。传统的方法测量布里渊谱线是利用F-P干涉仪，但由于干涉仪工作不稳定，插入损耗较大，且布里渊散射较弱，测得的布里渊频移往往不够准确。最近K.DeSouza首次利用Mach-Zehnder干涉仪实现了自发布里渊散射和瑞利散射光的分离，再对布里渊散射信号的频移和强度进行测量来得到分布的温度和应变信息。相干检测采用一台脉冲激光器和一台连续激光器分别作为脉冲光源和泵浦光源，脉冲光和泵浦光的频差调到布里渊频移附近，这样脉冲光进入光纤后其后向布里渊散射光的频率就与泵浦光的频率相近，可用窄带相干接收机接收布里渊信号。这种方法实现较为简单，但对光源的稳定性要求较高。1994年，有人又在脉冲探测光光路中引入了一个光移频环路实现了一个高精度的相干自外差BOTDR监测系统，得到空间分辨率100m，温度/应变探测精度2/0.01%，动态范围16/12dB。其后他们又对该系统进行改进，采用一个BOTDR与一个COTDR（相干OTDR）组成一个新的OTDR系统，该系统不仅可以同时测量光纤沿线的温度和应变分布，同时还可利用COTDR测量光纤沿线地损耗分布。2.基于布里渊光时域分析（BOTDA）技术的分布式光纤传感器；BOTDA技术最初由Horiguchi等人提出来的，基于该技术的光纤分布式传感器典型结构如下图1.4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光纤，当泵浦光和探测光的频差与光纤中某区域的布里渊频移Bf相等时，在该区域就会产生布里渊放大效应（受激布里渊散射），称之为布里渊受激放大作用，两光束之间发生能量转移。在BOTDA中，当泵浦光的频率高于探测光的频率时，泵浦光的能量向探测光转移，这种传感方式称为布里渊增益型；泵浦光的频率低于探测光的频率时，探测光的能量向泵浦光转移，这种传感方式称为布里渊损耗性。BOTDA技术便利用这一原理，其探测信号可以是布里渊增益信号，也可是布里渊损耗信号。根据BOTDA的工作原理可知，当满足12Bfff时，脉冲光的能量转移给连续光，得到布里渊增益信号，即连续光能量增加；当满足12Bfff时，脉冲光被放大，连续光衰减，得到布里渊衰减信号。当光纤的某一部分发生应变时，那里的布里渊频移便由Bf变为'Bf（Bf），结果引起这部分BOTDA信号的急剧衰减。调谐使入射泵浦光和探测光之间的频率差等于'Bf，便能接收到该点的布里渊散射信号。由于布里渊频移与温度、应变存在线性关系，因此在对两激光器的频率进行连续调节的同时，通过检测光纤一端耦合出来的连续光的功率，就可以确定光纤各小段区域上能量转移达到最大时随对应的频率差，从而得到温度应变信息，实现分布式测量。相对而言，对于布里渊损耗型，由于脉冲光在沿光纤中传播时被放大，能量增加，因此利用布里渊损耗信号可测量得到更长的距离，具有一定的优越性。BOTDA系统的显著特点是动态范围大，测量精度高。该技术不能测断点。3.基于布里渊光频域分析（BOFDA）技术的分布式光纤传感器；BOFDA分布式光纤传感技术是1997年德国D.Garus等人提出的一种新型的分布式光纤传感技术。系统实验框图如1.6所示。BOFDA同样是利用布里渊频移特性来实现温度/应变的传感，但其被测量空间定位不再是传统的广时域反射技术，而是通过得到光纤的复合基带传输函数来实现的。因此传感光纤两端所注入的光为频率不同的连续光，其中探测光与泵浦光频差约等于光纤中的布里渊频移分量SPBfff。探测光首先经过调制频率mf可变的电光调制器进行幅度调制，调制强度为注入光纤的探测光和泵浦光在光纤中相互作用的边界条件。对每个不同的调制信号频率mf，都对应着一个探测光功率和泵浦光功率。调节mf，在耦合器的两个输出端同时检测注入光纤的探测光功率和泵浦光功率，通过和检测器相连的网络分析仪就可以确定传感光纤的基带传输函数。利用快速傅里叶逆变换（IFFT）由基带传输函数即可得到系统的实时冲击响应，便反映了光纤沿线的温度/应变等的分布信息。在BOFDA系统中，系统的空间分辨率由调制信号的最大.maxmf和最小.minmf调制频率决定，最大传感距离由调制信号频率变化的步长mf决定。基于上述原理，D.Garus等人做了基于BO