基于布里淵散射的分布式溫度傳感系統(tǒng)

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1、基于布里淵散射的分布式溫度傳感系統(tǒng)摘要本文綜述了分布式傳感技術(shù)的研究動態(tài)和新進展，從理論上分析了光纖中的布里淵散射及布里淵頻移、強度與光纖溫度的關(guān)系，闡述了基于光時域反射計(OTDR)的分布式傳感原理，并簡述了基于布里淵光時域反射計和布里淵光時域分析技術(shù)的測溫方案，針對布里淵散射光檢測的特點，設(shè)計了一種能實現(xiàn)高空間分辨率、高測量精度的溫度傳感系統(tǒng)。關(guān)鍵詞　布里淵散射；分布式光纖傳感；OTDR；溫度引言20世紀(jì)70年代初以來，隨著第一代低損耗光纖的研制成功，光纖技術(shù)在通信、傳感和光學(xué)信息處理等方面得到了廣泛的

2、應(yīng)用和迅速的發(fā)展。光纖傳感技術(shù)是上個世紀(jì)80年代發(fā)展起來的光纖應(yīng)用技術(shù)，是信息社會的一個重要技術(shù)基礎(chǔ)，在當(dāng)代高科技中占有十分重要的位置。隨著不同系統(tǒng)工程自動化程度和復(fù)雜性的增加，對傳感器的精度、可靠性、響應(yīng)靈敏度及經(jīng)濟實用性的要求越來越高。光纖傳感技術(shù)正是適應(yīng)這種要求，隨著光纖和光纖通信技術(shù)的迅速發(fā)展的趨動而產(chǎn)生的。目前，國內(nèi)外關(guān)于光纖傳感器的研究主要集中在單點式光纖傳感器、準(zhǔn)分布式光纖傳感器和分布式光纖傳感器三個方面。分布式光纖傳感技術(shù)具備提取大范圍測量場的分布信息的能力，能夠解決測量領(lǐng)域的眾多難題，因此

3、，具有巨大的應(yīng)用潛力，是目前國內(nèi)外研究的熱點。傳統(tǒng)的溫度傳感方法弊端眾多，如電傳感器無法應(yīng)用到水下或者其他惡劣環(huán)境，封裝非常復(fù)雜，無法實現(xiàn)實時監(jiān)測、點測量而不能分布式測量，使得監(jiān)測不全面等等，因此亟需能夠適應(yīng)惡劣環(huán)境、實時地分布式溫度檢測技術(shù)。基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)即能夠滿足這種需求，其優(yōu)越性除了得益于光纖本身的特性外還可以實現(xiàn)分布式溫度應(yīng)變測量。231.光的散射當(dāng)光波射入介質(zhì)中時，若介質(zhì)中存在某些不均勻性使光波的傳播發(fā)生變化，這就是光散射?？梢哉J為光與介質(zhì)間的作用有3種：一是若介質(zhì)均勻，且不考

4、慮熱起伏，光通過介質(zhì)后不發(fā)生任何變化，沿原光波傳播方向進行，與介質(zhì)間無任何作用；二是若介質(zhì)有某種起伏，不很均勻，光波與介質(zhì)中不均勻物質(zhì)作用后被散射到其他方向，但該起伏與時間無關(guān)，散射光的頻率就不會發(fā)生變化，只是波矢方向受到偏射，這就是彈性散射；三是若介質(zhì)中的不均勻性隨時間變化，光波與這些起伏交換能量，使散射光的能量，即頻率發(fā)生變化，就產(chǎn)生非彈性散射。光纖中的光散射主要是由光纖的非結(jié)晶材料在微觀空間的顆粒狀結(jié)構(gòu)和玻璃中存在的像氣泡這種不均勻結(jié)構(gòu)引起的。光散射會引起光功率分散，使能量在各方向上均有分布，由于單模

5、光纖只存在前向和后向傳導(dǎo)模，所以光在單模光纖中只存在前向散射光和后向散射光。1.1光纖中的后向散射理論光散射是光在介質(zhì)中傳播過程中發(fā)生的一種普遍現(xiàn)象，是光與物質(zhì)相互作用的一種表現(xiàn)形式。當(dāng)光波在介質(zhì)中傳播時，大部分光波是前向傳播的，有一小部分會偏離原來的傳播方向而發(fā)生散射。產(chǎn)生光散射的原因概括的說，在宏觀上可看作是介質(zhì)的光學(xué)不均勻性或折射率的不均勻性所引起的；從電磁輻射理論的分析，則歸結(jié)為由于介質(zhì)在入射光波場作用下產(chǎn)生的感應(yīng)電極化，由感生振蕩電偶極子(或磁偶極子、電四極子)成為散射光的電磁輻射源。實際觀察到的

6、散射光是大量散射源所產(chǎn)生的散射光的疊加。對傳導(dǎo)光波的光纖而言其散射主要是光纖中非結(jié)晶材料在微觀空間的顆粒狀結(jié)構(gòu)和玻璃中存在的像氣泡這種不均勻結(jié)構(gòu)所引起的。在散射過程中散射光不僅在傳播方向上與泵浦光不同，而且部分散射光的偏振態(tài)，頻譜特征與泵浦光也不同，光散射的特性與介質(zhì)的成分、結(jié)構(gòu)、均勻性及物態(tài)變化都有密切的關(guān)系。23從量子理論的觀點來看，光散射是光子與傳輸介質(zhì)中的粒子發(fā)生彈性或非彈性碰撞引起的，在非彈性碰撞過程中發(fā)生能量的轉(zhuǎn)移。根據(jù)量子理論，介質(zhì)中的分子或粒子從光線中所吸收的光子能量可由下式表示：(1-1)

7、式中，——吸光物質(zhì)的較高能級；——吸光物質(zhì)的基態(tài)能級；——普朗克(Plank)常數(shù)；——光的頻率；——光的波長；——真空中的光速。光纖中的光散射主要包括由光纖中折射率分布不均引起的瑞利散射(RayleighScattering)；由光學(xué)聲子引起的拉曼散射(RamanScattering)和由聲波或聲學(xué)聲子引起的布里淵散射(BrillouinScattering)三種類型的光散射。其中瑞利散射是由于光與物質(zhì)發(fā)生的彈性碰撞，散射光頻率不發(fā)生變化，而拉曼散射和布里淵散射是光與物質(zhì)發(fā)生的非彈性碰撞，其散射光頻率發(fā)生

8、變化，其中，布里淵散射光與入射光的頻差為幾十吉赫茲，拉曼散射光與入射光的頻差為幾十太赫茲。它們的頻譜分布如圖1-1所示。圖1-1光纖中后向散射光的頻譜分析在光纖背向散射頻譜分布圖中，激發(fā)線兩側(cè)的頻譜是成對出現(xiàn)的，在低頻一側(cè)的散射光為斯托克斯光(Stokes)；在高頻一側(cè)的散射光為反斯托克斯光(Anti-Stokes)，它們同時包含在拉曼散射和布里淵散射中。布里淵散射是入射光波場與介質(zhì)內(nèi)彈性聲波場相互作用而產(chǎn)生的一