分布式光纖傳感技術(shù)的特點(diǎn)與研究現(xiàn)狀
分布式光纖傳感技術(shù)具有同時(shí)獲取在傳感光纖區(qū)域內(nèi)隨時(shí)間和空間變化的被測(cè)量分布信息的能力,其基本特征為[1]:
①分布式光纖傳感系統(tǒng)中的傳感元件僅為光纖;
②一次測(cè)量就可以獲取整個(gè)光纖區(qū)域內(nèi)被測(cè)量的一維分布圖,將光纖架設(shè)成光柵狀,就可測(cè)定被測(cè)量的二維和三維分布情況;
③系統(tǒng)的空間分辨力一般在米的量級(jí),因而對(duì)被測(cè)量在更窄范圍的變化一般只能觀測(cè)其平均值;
④系統(tǒng)的測(cè)量精度與空間分辨力一般存在相互制約關(guān)系;
⑤檢測(cè)信號(hào)一般較微弱,因而要求信號(hào)處理系統(tǒng)具有較高的信噪比;
⑥由于在檢測(cè)過(guò)程中需進(jìn)行大量的信號(hào)加法平均、頻率的掃描、相位的跟蹤等處理,因而實(shí)現(xiàn)一次完整的測(cè)量需較長(zhǎng)的時(shí)間。
2、分布式光纖傳感技術(shù)研究現(xiàn)狀
分布式光纖傳感技術(shù)一經(jīng)出現(xiàn),就得到了廣泛的關(guān)注和深入的研究,并且在短短的十幾年里得到了飛速的發(fā)展.依據(jù)信號(hào)的性質(zhì),該類傳感技術(shù)可分為4類:①利用后向瑞利散射的傳感技術(shù);②利用喇曼效應(yīng)的傳感技術(shù);③利用布里淵效應(yīng)的傳感技術(shù);④利用前向傳輸模耦合的傳感技術(shù).
2.1、利用后向瑞利散射的分布式光纖傳感技術(shù)
瑞利散射是入射光與介質(zhì)中的微觀粒子發(fā)生彈性碰撞所引起的,散射光的頻率與入射光的頻率相同.在利用后向瑞利散射的光纖傳感技術(shù)中,一般采用光時(shí)域反射(OTDR)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)被測(cè)量的空間定位,典型傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示.依據(jù)瑞利散射光在光纖中受到的調(diào)制作用,該傳感技術(shù)可分為強(qiáng)度調(diào)制型和偏振態(tài)調(diào)制型。
圖1 后向散射型分布式光纖傳感器基本系統(tǒng)框圖
2.1.1強(qiáng)度調(diào)制型[2]
當(dāng)一束脈沖光在光纖中傳播時(shí),由于光纖中存在折射率的微觀不均勻性,會(huì)產(chǎn)生瑞利散射.如果外界物理量的變化能夠引起光纖的吸收、損耗特性或瑞利散射系數(shù)的變化,那么通過(guò)檢測(cè)后向散射光信號(hào)的強(qiáng)度就能夠獲得外界物理量的大小.目前基于對(duì)后向瑞利散射光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制的傳感器有利用微彎損耗構(gòu)成的分布式光纖力傳感器、利用光纖材料在放射線照射下所引起光損耗構(gòu)成的分布式輻射傳感器,利用化學(xué)染料對(duì)光的吸收特性構(gòu)成的分布式化學(xué)傳感器,利用液芯光纖瑞利散射系數(shù)與溫度的關(guān)系構(gòu)成的分布式溫度傳感器。
2.1.2偏振態(tài)調(diào)制型
偏振態(tài)光時(shí)間域反射法(POTDR)最初是由Rogers[3]提出的,其基本原理是,如果光纖受一些外界物理量的調(diào)制,那么光的偏振態(tài)就會(huì)隨之發(fā)生變化,而瑞利散射光在散射點(diǎn)的偏振方向與入射光相同,所以在光纖的入射端對(duì)后向瑞利散射光的偏振態(tài)和光信號(hào)的延遲時(shí)間進(jìn)行檢測(cè)就可獲得外界物理量的分布情況.由于磁場(chǎng)、電場(chǎng)、橫向壓力和溫度都能夠?qū)饫w中光的偏振態(tài)進(jìn)行調(diào)制,因此該技術(shù)可用于實(shí)現(xiàn)多個(gè)物理量的測(cè)量。
基于后向瑞利散射的傳感技術(shù)是現(xiàn)代分布式光纖傳感技術(shù)的基礎(chǔ),它在80年代初期得到了廣泛的發(fā)展.然而由于該技術(shù)難以克服測(cè)量精度低、傳感距離短的缺陷,目前在這方面的研究已鮮有報(bào)道。
2.2、利用拉曼效應(yīng)的分布式光纖傳感技術(shù)
2.2.1利用自發(fā)拉曼散射的分布式溫度傳感技術(shù)
光通過(guò)光纖時(shí),光子和光纖中的光聲子會(huì)產(chǎn)生非彈性碰撞,發(fā)生喇曼散射,波長(zhǎng)大于入射光為斯托克斯光,波長(zhǎng)小于入射光為反斯托克斯光.斯托克斯光與反斯托克斯光的強(qiáng)度比和溫度的關(guān)系可由下式表示:
R(T)=(λs/λA)4exp(-hcu/KT)(1)
式中h-普朗克常數(shù);
c-真空光速;
K-波爾茲曼常數(shù);
T-絕對(duì)溫度.
因而這一關(guān)系與光時(shí)域反射技術(shù)結(jié)合就可構(gòu)成分布式溫度傳感器。圖2是該類傳感器的基本結(jié)構(gòu)框圖。采用斯托克斯光與反斯托克斯光的強(qiáng)度比可消除光纖的固有損耗和不均勻性所帶來(lái)的影響。
圖2 基于自發(fā)喇曼散射的分布式光纖溫度傳感器原理框圖
基于拉曼散射的分布式溫度傳感技術(shù)是分布式光纖傳感技術(shù)中最為成熟的一項(xiàng)技術(shù).對(duì)中國(guó)的重慶大學(xué)[5]和中國(guó)計(jì)量學(xué)院[6]。目前,該類傳感器的一些產(chǎn)品已出現(xiàn)在國(guó)際、國(guó)內(nèi)市場(chǎng),最為著名的是英國(guó)York公司的DTS80,它的空間分辨力和溫度分辨力分別能達(dá)到1m、1℃,測(cè)量范圍為4~8km。
2.2.2利用受激拉曼效應(yīng)的分布式應(yīng)力傳感技術(shù)
該傳感技術(shù)最初是由Farries和Rogers[7]提出的。處于傳感光纖兩端的Nd:YAG激光器和He-Ne激光器分別發(fā)出一波長(zhǎng)為617nm脈沖光和一波長(zhǎng)為633nm連續(xù)波.由于兩束光的頻率差處于喇曼放大的增益譜內(nèi),連續(xù)光受脈沖光的作用就以喇曼增益放大.由于喇曼增益對(duì)脈沖光和探測(cè)光的偏振態(tài)極其敏感,而兩束光的偏振態(tài)能被光纖上的橫向應(yīng)力所調(diào)制,因此利用連續(xù)光的強(qiáng)度和光在光纖中的傳播時(shí)間就可獲得橫向應(yīng)力在光纖上的分布。
2.3、利用布里淵效應(yīng)的分布式光纖傳感技術(shù)
2.3.1 利用自發(fā)布里淵散射的分布式光纖溫度、應(yīng)變傳感技術(shù)
光通過(guò)光纖時(shí),光子和光纖中因自發(fā)熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的聲子會(huì)產(chǎn)生非彈性碰撞,發(fā)生自發(fā)布里淵散射.散射光的頻率相對(duì)入射光的頻率發(fā)生變化,這一變化的大小與散射角和光纖的材料特性有關(guān).與布里淵散射光頻率相關(guān)的光纖材料特性主要受溫度和應(yīng)變的影響,因此,通過(guò)測(cè)定脈沖光的后向布里淵散射光的頻移就可實(shí)現(xiàn)分布式溫度、應(yīng)變測(cè)量.Tkach等人在1989年提出了一種基于該原理的分布式傳感器[8].Parker等人于1997年通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察到溫度、應(yīng)變與自發(fā)布里淵散射光的功率分別存在正、反比例關(guān)系,并依據(jù)布里淵散射光的頻移與溫度和應(yīng)變的變化成正比的實(shí)驗(yàn)結(jié)果而提出,通過(guò)求解功率變化與頻率變化的耦合方程可實(shí)現(xiàn)單根光纖上溫度與應(yīng)變同時(shí)測(cè)量[9]。
2.3.2 利用受激布里淵效應(yīng)的分布式溫度、應(yīng)變傳感技術(shù)該技術(shù)
最初是由日本NTT的Horiguchi[10]提出的,由于它在溫度、應(yīng)變測(cè)量上所能達(dá)到的測(cè)量精度、傳感長(zhǎng)度和空間分辨力高于其它傳感技術(shù),目前得到廣泛的關(guān)注與研究?;谠摷夹g(shù)的傳感器的典型結(jié)構(gòu)為布里淵放大器結(jié)構(gòu),如圖3所示。處于光纖兩端的可調(diào)諧激光器分別將一脈沖光與一連續(xù)光注入傳感光纖,當(dāng)兩束光的頻率差處于相遇光纖區(qū)域中的布里淵增益帶寬內(nèi)時(shí),兩束光就會(huì)在作用點(diǎn)產(chǎn)生布里淵放大器效應(yīng),相互間發(fā)生能量轉(zhuǎn)移。在對(duì)兩束激光器的
評(píng)論