万方数据
ＦＥＡＴＵＲＥｌＦｉｂｅｒＳｅｎｓｉｎｇ
２．１基于后向散射的分布式光纤传感技术
如图ｌ所示，当光波在光纤中传输时，会产生后向散射光，包括瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射。检测由光纤沿线各点产生的后向散射，通过这些后向散射光与被测量（如温度、应力、振动等）的关系，可以实现分布式光纤传感。
图１光纤中的后向散射
２．１．１基于拉曼散射的分布式光纤温度传感ｆ２】
测量光纤中的反斯托克斯喇曼反射信号可以实现分布式温度传感。从２０世纪８０年代开始，国内外对反斯托克斯拉曼散射信号的光时域测量技术进行了大量的研究。如图２所示，利用光纤背向拉曼散射的温度效应，光纤所处空间各点的温度场调制了光纤中反斯托克斯背向拉曼散射光的强度，利用光纤的光时域反射技术（ＯＴＤＲ）检测对所测温度点定位。这种技术测量原理简单，造价相对低廉，目前已经能够实现１０ｋｍ以上的测量距离，并得到一定程度的应用。
但是它需要高功率、短脉冲的光源和高速信号放大采集器件，其测温精度和空间分辨率受到器件性能和造价的限制。
lc谐振图２基于拉曼散射的分布式光纤温度传感原理示意图近年来光频域反射技术（ＯＦＤＲ）也得到较快发展。ＯＦＤＲ技术，采用功率调制的连续激光做光源，因此其后向拉曼散射功率比同样入射条件下的ＯＴＤＲ
３０嫩光与光电子学进展２００９．１１技术高近２０００倍，信号虽然高速调制，但是频带窄，容易通过滤波除去噪声，能够大大提高传感信号的信噪比，在空间分辨率、检测精度和实时性方面具有更大的优势。
轻触开关电路２．１．２基于布里渊散射的分布式光纤温度／应力传感［３】用窄线宽连续激光对单模光纤进行抽运时，布里渊散射是～种主要的非线性效应。布里渊散射的散射性能可以用布里渊散射频移大小来描述，其大小与介质的声子速率有关，而该速率依赖于温度和应变。通过光谱分析获得温度或应力信息，并采用脉冲光对参量场分布进行定位，即可实现分布式光纤温度和应力传感，如图３所示。捕鼠器制作
图３基于布里渊散射的分布式光纤传感原理示意图基于受激布里渊散射的分布式光纤传感技术对于温度、应力等单一分布参数的测量有很高的精度和空间分辨率，是近年来发展起来的一种最具潜力和突破性的技术。它一般采用抽运一探测（Ｐｕｍｐ—Ｐｒｏｂｅ）结构，称为布里渊光学时域分析（Ｂ
ＯＴＤＡ）。
目前，基于受激布里渊散射的分布式光纤传感技术主要包括基于脉冲激光抽运的ＢＯＴＤＡ、基于相关连续波的ＢＯＴＤＡ以及基于暗脉冲激光抽运的ＢＯＴＤＡ。２．２基于偏振光时域反射的分布式传感【２】
菱角剥壳机偏振光时域反射（ＰＯＴＤＲ）传感是通过检测光纤中偏振态变化来达到分布式光纤传感目的的一种新型传感技术。ＰＯＴＤＲ技术是在ＯＴＤＲ技术的基础上发展起来的，其工作原理为：基于待测单模光纤中的后向瑞利散射光包含着偏振态沿光纤变化的附加信息。将线偏振光耦合进光纤，光脉冲在光纤中传输时发生瑞利散射，散射过程中光的偏振态随外界参量对纤的作用而变化，同时光的偏振性是位置的函数，因此探测后向散射光的偏振特性，即可得知光纤中偏振特性的时间分布及空间分布，从而获得被测量的场分布。
２．３基于光干涉技术的分布式传感
２．３．１基于干涉仪复用的传感器
将马赫一曾德尔、萨格尼克以及迈克尔逊等长程万方数据
干涉仪混合使用，可对随时间变化的扰动进行分布式测量（传感和定位）。例如，萨格尼克／马赫一曾德尔【４】、萨格尼克／迈克耳逊【５】、萨格尼克／萨格尼克【６】、马赫一曾德尔／马赫一曾德尔以及差分环／环等双干涉仪结构，其中包括单光源单探测器和单光源双探测器等类型。图４是一种代表性结构，其中ＬＤ，Ｃ。，Ｌ。，Ｌ２和ＰＤ，构成萨格尼克干涉仪；ＬＤ，Ｃ。，Ｌ。～Ｌ４，ｋ—ｋ，Ｃ３和ＰＤ。构成马赫一曾德尔干涉仪，其中Ｌ。为传感光纤。由两路输出相移即可计算得到干扰的大小和发生位置，实现分布式传感。系统的定位精度可以达到５ｍ。
图４采用萨格尼克和马赫一曾德尔干涉仪的分布式光纤传感器
２．３．２基于调频连续波的干涉方法【２】
传感系统的实验装置如图５所示，主要由调频连续波光源、迈克尔逊反射干涉仪和信号接收部分组成，在干涉仪的参考光路中引入一个带有移频器的光学回路（长度为￡），用来扩大测量范围；移频器为一个声光调制器，工作频率为，；一根单模光纤作为信号光路，既传感信号又传输信号。由于参考光路中是一个带有移频器的光学回路，参考光束被加长到光学回路长度的整数倍Ｎ／；并具有整数倍移频器的工作频率Ｎｆ，因此，来自不同回路长度整数倍区域内的被检测信号可在相应的整数倍移频器工作频率的区域内被观测到，实现分布式传感。
图５基于调频连续波的分布式光纤传感系统
２．４基于光纤布拉格光栅的准分布式光纤传感光纤布拉格光栅（ＦＢＧ）是一种性能优异的波长 专题报道Ｉ光纤传感
调制型测量敏感元件，探测能力不受光源功率波动、光纤弯曲损耗、探测器老化等因素的影响，适合长期安全监测【７ｌ。鉴于ＦＢＧ对温度、应力、压力及振动等外界参量的高灵敏度传感功能，同时又具有体积小、动态区间宽、可靠性高等突出优点，因而成为目前光纤传感领域内最有力的竞争者，在许多工业和工程领域特别是恶劣环境或超大型的结构中有广泛的应用，被认为是实现“光纤灵巧结构”的理想器件。
为了将ＦＢＧ更好的应用于分布式光纤传感中，增加可检测区域范围，提高检测空间分辨率和精度，同时降低系统成本，如何有效提高ＦＢＧ的复用能力是急待解决的技术难题。目前对光纤光栅复用技术的研究受到广泛关注。复用的ＦＢＧ主要有两种：中心波长不同的非同光栅以及中心波长、带宽、敏感特性均一致的全同光栅。
２．４．１基于非同光栅的准分布式传感
由于ＦＢＧ良好的波长调制特性，其使用最广泛的复用方式就是波分复用（ＷＤＭ）ＩＳ，ｇ］。采用非同光栅做传感器，光栅单元可通过反射波长分辨。由于每个光栅单元占用一定的运行带宽和测量带宽，彼此间不能交叠，因此复用数目受到宽带光源谱宽限制，一个阵列一般只能复用１０个左右的光栅。
多波长编码技术以同一位置的多个光栅组成的多维编码式光纤光栅为传感探头，根据乘法原理，系统可布探测点按指数函数增长。但这种方法需要多个宽带光源和多组波长解调器，还要在光纤同一位置制作多个不同波段的光栅，系统成本和技术实现难度较高，而且复用数目的增长仍然有限。波分复用原理的技术实现主要有波长扫描法和波长分离法，需要波长编解码过程，测量准确度受到滤波器、波分复用器等器件的分辨率限制。
时分复用（ＴＤＭ）也是一种很重要的复用技术【ｌｏｌ，它可以大大增加可测光栅传感器的数目，
利用干涉检测方案可实现较高的分辨率。复用系统中的单激光源提供窄脉宽的脉冲光，由于复用的光栅传感单元之间存在很长一段距离，所以ＦＢＧ反射的信号会连续地间隔一段时间出现，即ＦＢＧ传感器在时域上可分辨。检测系统对所选择的时间窗口的反射信号进行检测，系统的信噪比小、分辨率高。考虑到光源的强度和光栅及光纤传输的衰减，ＴＤＭ的复用容量一般小于１０。因此一般将ＴＤＭ和ＷＤＭ技术结合，组成一系列连接结构不同的光栅传感阵列，使准分布式光纤传感复用容量大大提高。其他的复用技术包括频分复用
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