分布式光纤传感技术的特点与研究现状

1 、分布式光纤传感技术的特点

分布式光纤传感技术具有同时获取在传感光纤区域内随时间和空间变化的被测量分布信息的能力，其基本特征为[1]：

①　分布式光纤传感系统中的传感元件仅为光纤；

②　一次测量就可以获取整个光纤区域内被测量的一维分布图，将光纤架设成光栅状，就可测定被测量的二维和三维分布情况；

③　系统的空间分辨力一般在米的量级，因而对被测量在更窄范围的变化一般只能观测其平均值；

④　系统的测量精度与空间分辨力一般存在相互制约关系；

⑤　检测信号一般较微弱，因而要求信号处理系统具有较高的信噪比；

⑥　由于在检测过程中需进行大量的信号加法平均、频率的扫描、相位的跟踪等处理，因而实现一次完整的测量需较长的时间。

2、分布式光纤传感技术研究现状

分布式光纤传感技术一经出现，就得到了广泛的关注和深入的研究，并且在短短的十几年里得到了飞速的发展．依据信号的性质，该类传感技术可分为4类：①利用后向瑞利散射的传感技术；②利用喇曼效应的传感技术；③利用布里渊效应的传感技术；④利用前向传输模耦合的传感技术．

2.1、利用后向瑞利散射的分布式光纤传感技术

瑞利散射是入射光与介质中的微观粒子发生弹性碰撞所引起的，散射光的频率与入射光的频率相同．在利用后向瑞利散射的光纤传感技术中，一般采用光时域反射（OTDR）结构来实现被测量的空间定位，典型传感器的结构如图1所示．依据瑞利散射光在光纤中受到的调制作用，该传感技术可分为强度调制型和偏振态调制型。

图1　后向散射型分布式光纤传感器基本系统框图

2.1.1　强度调制型[2]

当一束脉冲光在光纤中传播时，由于光纤中存在折射率的微观不均匀性，会产生瑞利散射．如果外界物理量的变化能够引起光纤的吸收、损耗特性或瑞利散射系数的变化，那么通过检测后向散射光信号的强度就能够获得外界物理量的大小．目前基于对后向瑞利散射光进行强度调制的传感器有利用微弯损耗构成的分布式光纤力传感器、利用光纤材料在放射线照射下所引起光损耗构成的分布式辐射传感器，利用化学染料对光的吸收特性构成的分布式化学传感器，利用液芯光纤瑞利散射系数与温度的关系构成的分布式温度传感器。

2.1.2　偏振态调制型

偏振态光时间域反射法（POTDR）最初是由Rogers[3]提出的，其基本原理是，如果光纤受一些外界物理量的调制，那么光的偏振态就会随之发生变化，而瑞利散射光在散射点的偏振方向与入射光相同，所以在光纤的入射端对后向瑞利散射光的偏振态和光信号的延迟时间进行检测就可获得外界物理量的分布情况．由于磁场、电场、横向压力和温度都能够对光纤中光的偏振态进行调制，因此该技术可用于实现多个物理量的测量。

基于后向瑞利散射的传感技术是现代分布式光纤传感技术的基础，它在80年代初期得到了广泛的发展．然而由于该技术难以克服测量精度低、传感距离短的缺陷，目前在这方面的研究已鲜有报道。

2.2、利用拉曼效应的分布式光纤传感技术

2.2.1　利用自发拉曼散射的分布式温度传感技术

光通过光纤时，光子和光纤中的光声子会产生非弹性碰撞，发生喇曼散射，波长大于入射光为斯托克斯光，波长小于入射光为反斯托克斯光．斯托克斯光与反斯托克斯光的强度比和温度的关系可由下式表示：

R(T)=(λs/λA)4exp(-hcu/KT)　　　　　(1)

式中　h－普朗克常数；
　　　c－真空光速；
　　　K－波尔兹曼常数；
　　　T－绝对温度．

因而这一关系与光时域反射技术结合就可构成分布式温度传感器。图2是该类传感器的基本结构框图。采用斯托克斯光与反斯托克斯光的强度比可消除光纤的固有损耗和不均匀性所带来的影响。

图2　基于自发喇曼散射的分布式光纤温度传感器原理框图

基于拉曼散射的分布式温度传感技术是分布式光纤传感技术中最为成熟的一项技术．对该技术开展研究工作的主要有英国的King大学[4]，中国的重庆大学[5]和中国计量学院[6]。目前，该类传感器的一些产品已出现在国际、国内市场，最为著名的是英国York公司的DTS80，它的空间分辨力和温度分辨力分别能达到1m、1℃，测量范围为4～8km。

2.2.2　利用受激拉曼效应的分布式应力传感技术

该传感技术最初是由Farries和Rogers[7]提出的。处于传感光纤两端的Nd:YAG激光器和He-Ne激光器分别发出一波长为617nm脉冲光和一波长为633nm连续波．由于两束光的频率差处于喇曼放大的增益谱内，连续光受脉冲光的作用就以喇曼增益放大．由于喇曼增益对脉冲光和探测光的偏振态极其敏感，而两束光的偏振态能被光纤上的横向应力所调制，因此利用连续光的强度和光在光纤中的传播时间就可获得横向应力在