2007年第26卷第7期 传感器与微系统(Transducer and M icr osyste m Technol ogies) 王其富，乔学光，贾振安，尉 婷，高 宏，王向宇
(西安石油大学陕西省光电传感测井重点实验室，陕西西安710065)
摘 要：阐述了基于布里渊散射的分布式光纤传感技术测量光纤温度/应变的基本传感原理。介绍了基于光时域反射仪发展起来的几种传感技术，布里渊光时域反射(BOT DR)、布里渊光时域分析(BOT DA)、布里渊光频域分析(BOF DA)分布式光纤传感技术，特别对BOT DR的原理和典型系统方案进行了详细的介绍。最后，叙述了基于布里渊散射的分布式光纤传感技术当前的进展和趋势。 关键词：布里渊散射；分布式；光纤传感器；光时域反射
中图分类号:TP212.9 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(2007)07-0007-03
D evelop m en t of research on Br illou i n sca tter i n g
d istr i buted opti c f i ber sen si n g technology3
WANG Q i2fu,Q I A O Xue2guang,J I A Zhen2an,W E I Ting,G AO Hong,WANG Xiang2yu (Shanx i Key Labora tory of Photoelectr i c Sen si n g L ogg i n g,X i’an Sh i you Un i versity,
X i’an710065,Ch i n a)
Abstract:The basic sensing p rinci p le of measuring op tic fiber te mperature and strain based on the B rill ouin scattering distributed op tic fiber sensing technol ogy is intr oduced.The p rinci p le of BOT DR,BOT DA and BOF DA that based on OT DR are illustrated,es pecially f or the p rinci p le and the typ ical syste matic sche me of the BOT DR.
the devel opment and trend of the B rill ouin scattering distributed op tic fiber sensing technol ogy are shown in detail.
Key words:B rill ouin scattering;distributed;op tic fiber sens or;op tical ti m e domain reflect ometry(OT DR)
0 引 言
分布式光纤传感器由于分辨力高、误差小，正逐渐受到人们的青睐。它不仅具有普通光纤传感器的全部优点，而且，充分利用了光纤一维空间连续分布的特点，可以准确地测出光纤沿线上任一点被测量
场在时间和空间上的信息分布，能做到对大型基础工程设施的每一个部位像人的神经系统一样进行感知、远程监测和监控，且不需构成回路，具有广阔的应用前景。
从20世纪70年代末提出到现在短短20多年时间里，分布式光纤传感技术得到了很快的发展。其中，基于瑞利散射和拉曼散射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比较晚，但由于它在温度和应变测量上达到的测量精度、测量范围以及空间分辨力均高于其他传感技术，因此，这种技术目前得到广泛关注与研究。
1 布里渊散射及其传感原理[1,2]
布里渊散射是指入射到介质的光波与介质内的弹性声波发生互相作用而产生的光散射现象。说一个散射过程是自发的，指的是引起光散射的介质的某种扰动(通常是介电常数)是由热激励或是由量子机制的零点效应引起的；而一个受激散射过程是指这种扰动是由于光场的存在通过非线性效应引起的。
光纤中的布里渊散射光相对于泵浦光有一个频移，通常称为布里渊频移。其中，背向布里渊散射的布里渊频移最大，对于普通的硅玻璃光纤(n=1.46)，当泵浦光的波长为1550n m时，布里渊频移ν
B
=11.2GHz。大量的理论和实验研究证明：光纤中布里渊散射信号的布里渊频移和功率与光纤所处环境
的温度和承受的应变在一定条件下呈线性变化关系，表示为
Δν
B
=Cν
T
ΔT+C
νε
Δε
100ΔP B
P B(T,ε)
htc a310
=C
PT
ΔT+C
Pε
Δε,(1)
式中 Δν
B
为布里渊频移变化量;Δε为应变的变化量;ΔT
为温度变化量;ΔCν
T
为布里渊频移温度系数;ΔCνε为布里
收稿日期:2006-12-02
3基金项目：陕西省教育厅产业化培育基金资助项目(05JC23)；西安市科技局信息技术专项基金资助项目(ZX05041)；中国石油天然气集团公司应用基础研究基金资助项目(20050719)
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传感器与微系统 第26卷
渊频移应变系数;ΔP
气瓶推车B 为布里渊功率变化量;ΔC
PT
为布里渊
功率温度系数;ΔC
Pε
为布里渊功率应变系数。因此，在已知温度和应变系数的情况下，通过测定布里渊散射信号的频移和功率，就可以由式(1)得到温度和应变信息。
dopc2 布里渊散射分布式光纤传感技术
目前，基于布里渊散射的温度/应变传感技术的研究主要集中在3个方面:1)基于布里渊光时域反射(B rill ouin op2 tical ti m e domain reflect ometer,BOT DR)的分布式光纤传感技术;2)基于布里渊光时域分析(B rill ouin op tical ti m e do2 main analyzer,BOT DA)的分布式光纤传感技术;3)基于布里渊光频域分析(B rill ouin op tical frequency domain analyzer, BOF DA)的分布式光纤传感技术。
2.1 BOT DR分布式光纤传感技术
光时域反射(op tical ti m e domain reflect ometry,OT DR)技术是指向光纤中注入一个光脉冲，通过反射信号和入射脉冲之间的时间差来确定空间位置，基于BOT DR的分布式光纤传感技术就是在DR的基础上发展起来的。当脉冲光在光纤中传输时，在脉冲光发送端可以检测到带有光纤沿线温度/应变信息的布里渊后向散射光，通过测量这个返回的布里渊散射光便可以得到温度和应变信息。布里渊散射信号的强度相当微弱，比瑞利散射要小2～3个数量级，检测相当困难，通常，采用的检测方法有相干检测和直接检测2种。
1993年,Kurashi m a T等人[3]首先利用相干检测的方法实现了自发布里渊散射信号的温度/应变分布式测量。它采用2台激光光源分别作为脉冲光源和抽运光源，二者的频差调到布里渊频移附近，这样，可用窄带相干接收机接收布里渊信号。实验测量11.57k m长度的光纤，得到空间分辨力为100m，温度/应变测量精度可达到±3℃/±0.006%。这种方法实现起来较为简单，但是，对2台激光光源的波长、线宽、谱线稳定度等方面一致性要求极高。
1994年,Shi m izu K等人[4]首次在光路中引入一个光频移环路实现了一个高精度的相干检测系统，如图1所示。该系统得到空间分辨力为100m，温度、应变测量精度为2K,0.01%，动态范围为16,12d B。其后，他们又对该系统进行改进，采用一个BOT DR与一个相干OT DR(C OT DR2co2 herent OT DR)组成一个新的BOT DR系统，新系统不仅可以同时测量光纤沿线的温度/应变分布，同时，还可利用COT2 DR测量光纤沿线的损耗分布。测试得到在10k m光纤上的空间分辨力为1m，应变测量精度大于±0.012%,C OT DR 衰减噪声为0.05d B。
该相干自外差BOT DR检测系统的优势在于:1)只需在光纤一端测量，应用方便;2)单个激光器实现自外差工作，容易精确控制脉冲光与连续光之间的頻差;3)若参考光足够强，可提高最小可探测光功率，提高探测精度;4)外差接收机加窄带滤波器可提高频率分辨力。
图1 相干自外差BO TD R系统结构图
F i g1 Stucture d i a gram of coheren t BO TD R system
要对布里渊散射信号进行直接检测，需要先将微弱的布里渊散射光从瑞利散射光中分离出来。W ait P C,Parker T R等人分别利用法布里—珀罗干涉仪实现了布里渊散射与瑞利散射的分离，但法布里—珀罗干涉仪所引入的插入损耗较大(超过10d B)，给本来就很微弱的信号带来很大的衰减，对提高测量精度，减小测量时间不利。Souza K De[5]首次利用M ach2Zehnder(M2Z)干涉仪实现了自发布里渊散射和瑞利散射的分离，原理图见图2。
图2 基于M2Z干涉仪的BO T D R实验系统
F i g2 Exper i m en t a l syete m of M2Z i n terferom eter BO T D R
当脉冲光注入传感光纤后，在光纤中，同时产生后向布里渊散射光和后向瑞利散射光，这2个后向散射光注入全光纤M2Z干涉仪，通过调节干涉仪的自由程为2倍的布里渊频移(FSR=2ν
B
)，使布里渊散射光从2个后向散射光中分离出来。在单通M2Z干涉仪输出端引入一个光隔离器(I S O)可以构成双通M2Z干涉仪，对信号进行了2次过滤，大大增强对瑞利散射光的抑制。
dna探针
实验得到，单通M2Z干涉仪的插入损耗不超过1d B，对瑞利散射的抑制比超过30d B；双通M2Z干涉仪的插入损耗不超过2.5d B，对输出的瑞利散射几乎完全抑制[6,7]。1999年，英国南安普敦大学研究小组Kee H H等人利用M2Z干涉仪实现自发布里渊散射的提取，获得温度与应变的同时传感，传感精度为4℃和0.029%，空间分辨力为10m[8]。
2.2 BOT DA分布式光纤传感技术[9～11]
当两束泵浦光在光纤中反向传播，并且，二者的频差等于布里渊频移时，弱的泵浦信号将被强的泵浦信号放大，这称之为布里渊受激放大作用。基于这一放大作用,Horigu2 chi T等人最先提出BOT DA分布式光纤传感技术。
BOT DA系统中，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效应，两光束相互之间发生能量转移。BOT DA技术便应用了这一原理，其探测信号可以是布里渊增益信号，也可以是布里渊损耗信号。
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第7期 王其富，等：布里渊散射分布式光纤传感技术的研究进展
当光纤的某一部分的温度或应变发生变化时，那里的布里渊频移便随之发生变化，引起该部分的BOT DA信号变化。通过调谐使入射脉冲光和连续光之间的频差等于新的布里渊频移，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，对两激光器的频率进行连续调节的同时，通过检测从光纤一段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所对应的频率差，从而得到温度、应变信息。
基于BOT DA的分布式传感技术在被提出后得到广泛研究，在众多研究中,Bao X等人首先将BOT DA传感系统的性能大大提高，他们采用布里渊损耗的方式最终实现了长达51k m、温度分辨力为1℃和空间分辨力为5m的传感测量。
1999年,AnthonyW等人比较全面系统地分析了影响基于布里渊散射的分布式光纤传感器精度的因素及互相关系，通过调整激光脉冲宽度、系统信噪比、布里渊线宽、光纤长度等来得到较小的应变和温度
误差以及较高的空间分辨力。实验结果表明：在500mm的空间分辨力时，应变误差为0.002%，在250mm的空间分辨力时，应变误差为0.004%；信噪比每下降10d B，应变误差就提高10倍，布里渊线宽每增加10MHz应变误差提高0.0001%。
2.3 BOFDA分布式光纤传感技术[12]
基于BOF DA的分布式光纤传感技术是由德国的Garus D等人提出的一种新型的分布式光纤传感技术。BOF DA 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OT DR技术，而是通过得到光纤的复合基带传输函数来实现的。传感光纤两端所注入的光为频率不同的连续光，其中，探测光与抽运光频差约等于光纤中的布里渊频移量。探测光首先经过调制频率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抽运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，都对应着一个探测光功率和抽运光功率，因此，调节调制频率，同时检测注入光的探测光功率和抽运光功率，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。
网上冲印系统3 结束语
布里渊散射的分布式光纤传感技术继承了分布式光纤传感技术的优点，对于单一分布参数的测量有很高的精度和空间分辨力。日本的NTT和ANDO公司已开发出基于自外差检测法的相应产品投入市场，
技术上可以检测最长80k m光纤沿线的应变，应变测量范围为-1.5%～+1.5%，空间分辨力可达1m，应变测量精度达±0.003%。近年来，随着高灵敏度高带宽(20GHz)的光电探测器成为可能，在原有的技术基础上，采用微波相干外差技术和一个可调谐的电子振荡器联合开发出了一种新的BOT DR技术，由于该技术不使用移频器，因此，系统频率稳定度比以前更高，应变测量精度可以提高到0.001%，系统测量时间也大大减少。
随着探测范围和信息量的增大以及传感技术上的不断成熟，利用布里渊散射传感技术在多维上检测光纤沿线的各种信息分布，并将该技术应用于智能网络监控系统必定是一个大趋势。同时，要使温度/应变测量范围和精度得到不断提高，对于信号处理技术和算法的要求也就要不断提高，这也是该技术中有待解决的一个重大问题。
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作者简介:
王其富(1981-)，男，广东中山人，硕士研究生，主要从事光纤传感及通信技术方面的研究。
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