基于布里淵散射的分布式光纖傳感器的進(jìn)展

目的　介紹了基于布里淵散射的分布式光纖傳感器的當(dāng)前進(jìn)展及趨勢(shì). 方法　給出了基于布里淵散射的分布式光纖傳感器的原理, 介紹了基于光纖光時(shí)域反射的BO TDR 和BO TDA 的分布式光纖傳感器,以及基于自發(fā)布里淵散射的同時(shí)測(cè)試應(yīng)變和溫度分布式光纖傳感器, 并指出了遇到的問(wèn)題. 結(jié)果　使讀者詳細(xì)了解基于布里淵散射的分布式光纖傳感器當(dāng)前進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì). 結(jié)論　基于布里淵散射的分布式光纖傳感器繼承了分布式光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn), 并使測(cè)試的范圍增大, 可測(cè)信息種類增多, 精度更高.
分布式光纖傳感器是目前國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn), 測(cè)試用光纖的跨距可達(dá)幾十千米, 分辨率高, 誤差小[ 1 ].要獲得一個(gè)具有一定跨度范圍的整個(gè)溫度信息(或分布的應(yīng)力應(yīng)變) , 使用傳統(tǒng)的單點(diǎn)移動(dòng)式或由多個(gè)單點(diǎn)組成的準(zhǔn)分布式傳感方式既耗時(shí)耗資又在布線上很困難, 其性能價(jià)格比是很低的. 而這時(shí)使用完全(以區(qū)別于準(zhǔn)) 分布式溫度傳感顯然是最有效的方法. 這就要求介質(zhì)既要有高的靈敏度, 又能有效地傳輸所感應(yīng)的信號(hào). 光導(dǎo)纖維就具有這種雙重特性, 且它還有著抗電磁干擾、防燃、防爆、尺寸極小、對(duì)被測(cè)溫度場(chǎng)的影響小等其它介質(zhì)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)[ 2 ].B rillou in 散射是入射光與聲波或傳播的壓力波(因此也是密度波) 相互作用的結(jié)果. 這個(gè)傳播的壓力波等效于一個(gè)以一定速度V B (且具有一定頻率8B ) 移動(dòng)的密度光柵, 因此, B rillou in 散射可看作是入射光在移動(dòng)的光柵上的散射, 多普勒效應(yīng)使得散射光的頻率不同于入射光. 當(dāng)某一頻率的散射光Xs與入射光XL、壓力波8B 滿足相位匹配條件, 即XL = Xs+ 8B (對(duì)光柵來(lái)說(shuō), 就是對(duì)應(yīng)于滿足布喇格(B ragg) 衍射條件) 時(shí), 此頻率的散射光強(qiáng)度為極大值. 而由于散射介質(zhì)的聲波頻率8B 與其溫度、應(yīng)力等因素有關(guān).因此, 通過(guò)檢測(cè)最強(qiáng)散射光的頻率就可以間接地知道散射介質(zhì)的溫度、應(yīng)力等情況.
說(shuō)一個(gè)散射過(guò)程是自發(fā)的, 指的是引起光散射的介質(zhì)的某種擾動(dòng)(通常是介電常數(shù)) 是由熱激勵(lì)或是由量子機(jī)制的零點(diǎn)效應(yīng)引起的; 而一個(gè)受激散射過(guò)程是指這種擾動(dòng)是由于光場(chǎng)的存在通過(guò)非線性效應(yīng)引起的. 實(shí)際上, 受激B rillou in 散射首先是被用于光纖通信中對(duì)光纖衰減特性的檢測(cè), 由Ho riguch i 等人于1989 年進(jìn)行實(shí)驗(yàn), 他們使用了一個(gè)1. 2 m 長(zhǎng)的單模光纖和兩個(gè)在其中相向傳輸?shù)墓馐? 為了定位,其中一個(gè)光束是脈沖的, 而另一個(gè)是連續(xù)的, 且頻率可調(diào). 當(dāng)在光纖上某一位置滿足XCW = XP - 8B (z )時(shí), 脈沖激光的能量能最有效地轉(zhuǎn)移到連續(xù)波激光上, 這時(shí)到達(dá)探測(cè)器的連續(xù)波激光強(qiáng)度將出現(xiàn)一個(gè)尖峰, 通過(guò)找這個(gè)尖峰就可知道光纖上某處的溫度信息. 首次實(shí)驗(yàn)取得了在- 30～ 60℃ 溫度范圍內(nèi), 空間分辨率為100 m , 溫度分辨率為3℃ 的性能指標(biāo). 從那時(shí)起, 世界上進(jìn)行了許多這方面的研究, 因?yàn)檫@一技術(shù)不僅能用于溫度分布測(cè)量, 而且還能用于應(yīng)力的分布傳感. 多年的努力使性能指標(biāo)也有了突飛猛進(jìn)的進(jìn)展, 至1995 年, 所公布的這類實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的性能指標(biāo)已達(dá)到傳感距離32 km , 溫度分辨率1℃, 和空間分辨率5 m (已幾乎是極限值了) [ 3 ].