分布式光纤传感器的研究进展*

2017-09-15叶雯

移动通信 2017年16期

关键词：瑞利散射布里渊散射光

叶雯

（公安海警学院，浙江宁波 315801）

分布式光纤传感器的研究进展*

叶雯

（公安海警学院，浙江宁波 315801）

阐述了分布式光纤传感器的相关研究进展，在分析该光纤传感技术工作原理的基础上，介绍了几种常用的分布式光纤传感器，并阐述了目前该技术在各个行业的广泛应用，最后预测了该领域的未来发展趋势。

分布式光纤传感器瑞利散射布里渊散射拉曼散射

1 引言

光纤传感器具有抗电磁干扰、耐腐蚀、灵敏度高、质量轻、体积小、可远程监控等特点，目前已经成为传感技术最为活跃的发展方向之一，在军事、医疗、石油化工、核工业等领域深受人们的关注。而其中的分布式光纤传感器不仅灵敏度和精确度高，又因其具有实时、可多点测量的探测特性，在各行各业中得到了广泛的应用。

2 分布式光纤传感器中的散射原理

分布式光纤传感器将光纤既作为传感介质，又作为传输介质，利用光在光纤中的散射原理，对沿光纤分布的环境参数进行连续测量，获得被测量参数（温度、应力、振动等）随空间和时间变化的信息，因此光纤中的散射现象势必成为研究分布式光纤传感器工作原理的核心话题。

光纤中的散射现象主要有瑞利散射、布里渊散射、拉曼散射三种类型。

（1）瑞利散射是光纤中最常见的一种散射，是指入射光进入光纤后，由于和光纤中粒子发生弹性作用，产生的后向散射现象，该散射为弹性散射，散射光波长等于入射光波长，没有频率的变化。发生瑞利散射的条件是入射光波长远大于光纤中粒子的大小。

（2）布里渊散射指的是入射光与光纤中声子相互作用的非弹性散射。布里渊散射按照其激发机制的不同可以分为自发布里渊散射和受激布里渊散射。自发布里渊散射是指光纤中的粒子在常温下，由于粒子热运动产生了自发声波，该声波的振动使得光纤上的折射率被周期性地调制，其作用相当于“光栅”，当泵浦光射入光纤中时，由于受到“光栅”的“衍射”作用，而产生自发布里渊散射光。和自发布里渊散射相比，受激布里渊散射产生调制声波的机制不同，当入射进入光纤中的泵浦光超过一阈值时，光纤内会产生电致伸缩效应，该效应可以使光纤产生周期性形变或弹性振动，从而对光纤折射率产生了周期性的调制，进而产生了散射现象。

（3）拉曼散射又称拉曼效应，是入射光进入光纤后与光纤中的粒子相互作用，引起频率变化而产生的非弹性散射现象。入射光或吸收光纤中的光学声子，转换为频率较高的散射光；或发射声子，转换为频率较低的散射光。

3 分布式光纤传感器的分类

分布式光纤传感器按其散射类型的不同可以分为以下几类，下面对其做一些详细的介绍。

3.1 基于瑞利散射的分布式光纤传感器

上文中讲述了光纤中产生的三种主要散射现象，其中最常见且散射光强度最强的散射过程是瑞利散射。当激光在光纤中传输时，由于光纤中折射率分布的不均匀，产生了瑞利散射[1]，利用光纤中光的瑞利散射现象可以对空间分布系统的温度和应力的进行测量，其主要工作原理为：当窄带脉冲光进入光纤中传输产生瑞利散射，假设入射光从进入光纤，经反向散射回到光纤入射端的总的时间为t，那么光脉冲在光纤中所走过的总的路程为：S=vt。假设该散射光距离入射端为L，则2L=vt。v为光在光纤中的传播速度，且v=c/n，c为真空中的光速，n为光纤的折射率。这样选在不同的时刻t，就可以得到离入射端不同距离L处的反向瑞利散射光，即光时域反射。基于此原理罗杰于1980年首次提出了基于光纤光时域反射（OTDR）原理来实现对空间分布系统的温度的测量[2]。随后有人提出基于光频域反射技术（OFDR）的分布式光纤传感器[3]以及光频域反射技术（OFDR）和瑞利散射相结合[4]来测量光纤微弯损耗的传感技术。

3.2 基于拉曼背向散射的分布式光纤传感器

拉曼散射是入射光与光纤粒子发生的非弹性散射。拉曼散射光子分为斯托克斯光子和反斯托克斯光子，而在光纤L处的斯托克散射光子数和反斯托克斯散射光子数与绝对温度T有关，因此用斯托克斯散射的OTDR曲线解调反斯托克斯散射的OTDR曲线就可以得到局域处的温度T，这便是基于拉曼散射的光时域分布式光纤温度传感器的工作原理。同样，也可以利用频谱图去得到系统的温度变化，即为拉曼光频率反射技术[5]，同样可以进行温度的测量。

3.3 基于布里渊散射的分布式光纤传感器

在布里渊散射中，由于光纤中散射光波的频率与温度、应力等外界因素有关，因此通过检测布里渊散射光的频率就可以间接知道外界环境的温度和应力的情况，这个便是基于光纤光时域反射的布里渊反射计的分布式光纤传感器的工作原理[6]。另外，利用两束泵浦光在光纤中反向传播，有人又研发出基于光纤光时域的布里渊反射分析技术的分布式光纤传感器[7]。

基于分布式光纤传感器的精度和准确度的不断提高使得它们在各个行业中的应用越来越广泛，下面将介绍一下分布式光纤传感器的主要应用领域。

4 分布式光纤传感器的应用

分布式光纤传感器由于其具有灵敏度和精确度高、实时、可多点测量等优于其他光纤激光器的特点，使得它被广泛地应用于国民经济各个领域。在陆地上，分布式光纤传感技术可以应用在边坡测量[8]、地铁隧道的振动监测[9]、桥梁和路面的健康监测[10]、数字油田温度测量[11]、周界边境安防监测[12]、电缆隧道安全扰动监测[13]等方面。在水利工程中，由于水工建筑常年受风雨侵蚀，温度变化，河流冲刷，地质变化的影响，产生位移、渗透、裂缝等，分布式光纤传感技术在智能大坝等水利工程中的作用功不可没[14]，而在海底电缆[15]和海底管道[16]领域，分布式光纤传感器同样可以通过测量温度和应变的情况对其进行实时监测。在飞行试验中，利用由大量遍布试验机的各类分布式光纤传感器，通过机载测试，获取系统试验数据[17]。

5 分布式光纤传感器的未来发展趋势及展望

随着计算机物联网技术的不断发展，分布式光纤传感的产业化进程逐步加快，未来分布式光纤传感技术的发展方向及研究重点主要为以下三个方面，下面对此做一些详细的阐述。

5.1 分布式光纤传感器的技术研究

越来越多的领域对分布式光纤传感技术的系统性能提出了更高的要求，如何实现更大的检测范围、获得更好的响应带宽、取得更为精确的定位等已经成为业界迫切需要解决的问题。

高速铁路、智能大坝、海底电缆、油气管线等大型基础设施通常需要几百、甚至几千公里的监测范围，这无疑对分布式光纤传感系统的探测距离提出了很高的要求。然而，光在光纤中传播的时候，由于光的损耗、色散等现象，脉冲光功率会随着传感距离的增加而不断衰减，信噪比也会随之下降，当光功率下降到一定程度后，就很难进行信息的采集。由此可知，分布式光纤传感系统的检测范围是受到入射脉冲光功率的限制的。然后，又由于脉冲光功率达到一定范围的时候会产生非线性效应，影响光信号的传输，使得探测光功率不宜过高。解决这一问题，目前最有效的办法便是采用分布式放大技术，包括光纤拉曼放大（FRA）和光纤布里渊放大（FBA），可以使分布式光纤传感的距离达到上百公里。电子科技大学已经实现了用一阶拉曼放大技术实现了距离可达200 km的BOTDA传输系统[18]。此外，还有人提出采用多波长光源来实现更长距离的监测范围[19]，为这一技术难点的解决开启了一个新的研究方向。

由上可知，分布式光纤传感器的传感距离受到光功率的限制，而其响应带宽又受到传感范围的限制，传感范围越大，响应带宽越小。这是因为：探测脉冲的时间间隔不能小于光在光纤中的往返时间，因此，脉冲重复频率受限。然而，大型基础设施不仅对系统的传感范围有很高的要求，对其响应带宽也提出了较高的要求，如电力电缆的局部放电检测、高压油气管线的泄露检测等，都要求千赫至兆赫的系统响应带宽，这使得人们不得不对分布式光纤传感器的响应带宽提出新的挑战。上海光机所已经着手该领域的研究工作，通过在相邻探测脉冲之间插入多个频率调制，实现了10 km范围里0.5 MHz的响应带宽[20]。

对于分布式光纤传感器的另外一个技术参数——空间分辨率而言，其大小直接决定着系统的精确度。空间分辨率是由系统探测脉冲光的脉冲时间尺度决定的，脉冲宽度越短，空间分辨率就越好，但系统的信噪比会越差，传感范围也就会越小。

近年来，分布式空间传感技术的分辨率均是采用减小脉冲宽度的办法，由近百米优化至几米。最近有人利用增大频率宽度来压缩脉冲的方法，首次将OTDR系统的分辨率改善到亚米量级[21]，证实了用脉冲压缩技术来提高分布式光纤传感器空间分辨率的可行性。

5.2 分布式光纤传感器的综合产业发展

分布式光纤传感器的检测范围、传感系统的响应带宽及空间分辨率等问题，都将成为分布式光纤传感技术以后技术发展方向上的研究重点。而分布式光纤传感器已经慢慢从传统的单一传感技术向综合监控系统技术的方向发展，具有一定的实时远程监控报警功能。这就决定了分布式光纤传感器以后对其技术发展具有多元性的要求，在发展传统光发射和滤波放大技术的基础上，对光接受与信号放大处理技术、干涉信号处理与解析技术、光纤传感系统与视频监控同步链接技术、光纤传感与视频监控系统采集信号的有线和无线传输技术都具有一定的要求。

而这些技术已经不仅仅局限于光纤传感领域，对视频监控、信号的有线和无线通信、信息处理等领域都有一定的涉及，因此分布式光纤传感器未来的发展势必要在其他很多领域发展的前提下进行，具有一定的综合产业发展特征。

5.3 分布式光纤传感器的行业应用前景

分布式光纤传感系统的不断发展，使得它在事件精确定位、隐蔽性、环境适应性等方面具有不可替代的优势，因而在重要核心设施和区域安全监测中的应用越来越广泛。

由前所述，可知分布式光纤传感器在民用行业已经具有举足轻重的作用，其中最具代表性的是关系国民经济大动脉的高速铁路行业。随着铁路“速、密、重”的快速发展，高铁轨道交通运行安全对运用高科技技术手段提出了更高、更紧迫的要求，这无疑加快了分布式光纤传感系统在高铁安全监测方面应用的脚步[22]。

此外，分布式光纤传感器在军事领域方面的作用也越来越显著。除了被海军应用于海底定位分布式光纤水听系统[23]之外，还被应用在陆地上的边境远程监测领域[24]。由此可见，分布式光纤传感技术的应用领域也具有一定的可拓性。

6 结束语

由于分布式光纤传感器具有抗电磁干扰、体积小、灵敏度高，尤其是具有实时、多点远程监控的优点，使得它在国民经济各行各业都得到了广泛的应用。本文在分析分布式光纤传感技术基本工作原理的基础上，介绍了几种常见的分布式光纤传感器，并阐述了分布式光纤传感技术的主要应用领域，最后展望了分布式光纤传感技术的研究重点和发展趋势。

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The Research Progress of Distributed Optical Fiber Sensor

YE Wen
(China Maritime Police Academy, Ningbo 315801, China)

The research progress related to distributed optical fiber sensor was expounded. Based on the principle of the optical fiber sensor technique, several kinds of the common distributed optical fiber sensor and the applications of the technique in different industries were introduced. Besides, the developmental trend of the field in the future was forecast.

distributed optical fiber sensor Rayleigh scattering Brillouin scattering Raman scattering