基于布里渊散射的分布式温度传感系统

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1、基于布里渊散射的分布式温度传感系统摘要本文综述了分布式传感技术的研究动态和新进展，从理论上分析了光纤中的布里渊散射及布里渊频移、强度与光纤温度的关系，阐述了基于光时域反射计(OTDR)的分布式传感原理，并简述了基于布里渊光时域反射计和布里渊光时域分析技术的测温方案，针对布里渊散射光检测的特点，设计了一种能实现高空间分辨率、高测量精度的温度传感系统。关键词　布里渊散射；分布式光纤传感；OTDR；温度引言20世纪70年代初以来，随着第一代低损耗光纤的研制成功，光纤技术在通信、传感和光学信息处理等方面得到了广泛的应用和迅速的发展。光纤传感技术是上个世纪80年代发展起来的光纤应用技术，是信息

2、社会的一个重要技术基础，在当代高科技中占有十分重要的位置。随着不同系统工程自动化程度和复杂性的增加，对传感器的精度、可靠性、响应灵敏度及经济实用性的要求越来越高。光纤传感技术正是适应这种要求，随着光纤和光纤通信技术的迅速发展的趋动而产生的。目前，国内外关于光纤传感器的研究主要集中在单点式光纤传感器、准分布式光纤传感器和分布式光纤传感器三个方面。分布式光纤传感技术具备提取大范围测量场的分布信息的能力，能够解决测量领域的众多难题，因此，具有巨大的应用潜力，是目前国内外研究的热点。传统的温度传感方法弊端众多，如电传感器无法应用到水下或者其他恶劣环境，封装非常复杂，无法实现实时监测、点测量而

3、不能分布式测量，使得监测不全面等等，因此亟需能够适应恶劣环境、实时地分布式温度检测技术。基于布里渊散射的分布式光纤传感技术即能够满足这种需求，其优越性除了得益于光纤本身的特性外还可以实现分布式温度应变测量。231.光的散射当光波射入介质中时，若介质中存在某些不均匀性使光波的传播发生变化，这就是光散射。可以认为光与介质间的作用有3种：一是若介质均匀，且不考虑热起伏，光通过介质后不发生任何变化，沿原光波传播方向进行，与介质间无任何作用；二是若介质有某种起伏，不很均匀，光波与介质中不均匀物质作用后被散射到其他方向，但该起伏与时间无关，散射光的频率就不会发生变化，只是波矢方向受到偏射，这就是

4、弹性散射；三是若介质中的不均匀性随时间变化，光波与这些起伏交换能量，使散射光的能量，即频率发生变化，就产生非弹性散射。光纤中的光散射主要是由光纤的非结晶材料在微观空间的颗粒状结构和玻璃中存在的像气泡这种不均匀结构引起的。光散射会引起光功率分散，使能量在各方向上均有分布，由于单模光纤只存在前向和后向传导模，所以光在单模光纤中只存在前向散射光和后向散射光。1.1光纤中的后向散射理论光散射是光在介质中传播过程中发生的一种普遍现象，是光与物质相互作用的一种表现形式。当光波在介质中传播时，大部分光波是前向传播的，有一小部分会偏离原来的传播方向而发生散射。产生光散射的原因概括的说，在宏观上可看作

5、是介质的光学不均匀性或折射率的不均匀性所引起的；从电磁辐射理论的分析，则归结为由于介质在入射光波场作用下产生的感应电极化，由感生振荡电偶极子(或磁偶极子、电四极子)成为散射光的电磁辐射源。实际观察到的散射光是大量散射源所产生的散射光的叠加。对传导光波的光纤而言其散射主要是光纤中非结晶材料在微观空间的颗粒状结构和玻璃中存在的像气泡这种不均匀结构所引起的。在散射过程中散射光不仅在传播方向上与泵浦光不同，而且部分散射光的偏振态，频谱特征与泵浦光也不同，光散射的特性与介质的成分、结构、均匀性及物态变化都有密切的关系。23从量子理论的观点来看，光散射是光子与传输介质中的粒子发生弹性或非弹性碰撞

6、引起的，在非弹性碰撞过程中发生能量的转移。根据量子理论，介质中的分子或粒子从光线中所吸收的光子能量可由下式表示：(1-1)式中，——吸光物质的较高能级；——吸光物质的基态能级；——普朗克(Plank)常数；——光的频率；——光的波长；——真空中的光速。光纤中的光散射主要包括由光纤中折射率分布不均引起的瑞利散射(RayleighScattering)；由光学声子引起的拉曼散射(RamanScattering)和由声波或声学声子引起的布里渊散射(BrillouinScattering)三种类型的光散射。其中瑞利散射是由于光与物质发生的弹性碰撞，散射光频率不发生变化，而拉曼散射和布里渊散射

7、是光与物质发生的非弹性碰撞，其散射光频率发生变化，其中，布里渊散射光与入射光的频差为几十吉赫兹，拉曼散射光与入射光的频差为几十太赫兹。它们的频谱分布如图1-1所示。图1-1光纤中后向散射光的频谱分析在光纤背向散射频谱分布图中，激发线两侧的频谱是成对出现的，在低频一侧的散射光为斯托克斯光(Stokes)；在高频一侧的散射光为反斯托克斯光(Anti-Stokes)，它们同时包含在拉曼散射和布里渊散射中。布里渊散射是入射光波场与介质内弹性声波场相互作用而产生的一