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的測溫方案，針對布里淵散射光檢測的特點，設計了一種能實現高空間分辨率、高測量精度的溫度傳感系統(tǒng)。關鍵詞　布里淵散射；分布式光纖傳感；OTDR；溫度引言20世紀70年代初以來，隨著第一代低損耗光纖的研制成功，光纖技術在通信、傳感和光學信息處理等方面得到了廣泛的應用和迅速的發(fā)展。光纖傳感技術是上個世紀80年代發(fā)展起來的光纖應用技術，是信息

2、社會的一個重要技術基礎，在當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雜性的增加，對傳感器的精度、可靠性、響應靈敏度及經濟實用性的要求越來越高。光纖傳感技術正是適應這種要求，隨著光纖和光纖通信技術的迅速發(fā)展的趨動而產生的。目前，國內外關于光纖傳感器的研究主要集中在單點式光纖傳感器、準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，能夠解決測量領域的眾多難題，因此，具有巨大的應用潛力，是目前國內外研究的熱點。傳統(tǒng)的溫度傳感方法弊端眾多，如電傳感器無法應用到水下或者其他惡劣環(huán)境，封裝非常復雜，無法實現實時監(jiān)測、點測量而

3、不能分布式測量，使得監(jiān)測不全面等等，因此亟需能夠適應惡劣環(huán)境、實時地分布式溫度檢測技術?；诓祭餃Y散射的分布式光纖傳感技術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分布式溫度應變測量。231.光的散射當光波射入介質中時，若介質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。可以認為光與介質間的作用有3種：一是若介質均勻，且不考慮熱起伏，光通過介質后不發(fā)生任何變化，沿原光波傳播方向進行，與介質間無任何作用；二是若介質有某種起伏，不很均勻，光波與介質中不均勻物質作用后被散射到其他方向，但該起伏與時間無關，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

4、彈性散射；三是若介質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，就產生非彈性散射。光纖中的光散射主要是由光纖的非結晶材料在微觀空間的顆粒狀結構和玻璃中存在的像氣泡這種不均勻結構引起的。光散射會引起光功率分散，使能量在各方向上均有分布，由于單模光纖只存在前向和后向傳導模，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中傳播過程中發(fā)生的一種普遍現象，是光與物質相互作用的一種表現形式。當光波在介質中傳播時，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。產生光散射的原因概括的說，在宏觀上可看作

5、是介質的光學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，則歸結為由于介質在入射光波場作用下產生的感應電極化，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。實際觀察到的散射光是大量散射源所產生的散射光的疊加。對傳導光波的光纖而言其散射主要是光纖中非結晶材料在微觀空間的顆粒狀結構和玻璃中存在的像氣泡這種不均勻結構所引起的。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的成分、結構、均勻性及物態(tài)變化都有密切的關系。23從量子理論的觀點來看，光散射是光子與傳輸介質中的粒子發(fā)生彈性或非彈性碰撞

6、引起的，在非彈性碰撞過程中發(fā)生能量的轉移。根據量子理論，介質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)式中，——吸光物質的較高能級；——吸光物質的基態(tài)能級；——普朗克(Plank)常數；——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)；由光學聲子引起的拉曼散射(RamanScattering)和由聲波或聲學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

7、是光與物質發(fā)生的非彈性碰撞，其散射光頻率發(fā)生變化，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)線兩側的頻譜是成對出現的，在低頻一側的散射光為斯托克斯光(Stokes)；在高頻一側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內彈性聲波場相互作用而產生的一