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。1. 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。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(Rayleigh Scattering)；由光学声子引起的拉曼散射(Raman Scattering)和由声波或声学声子引起的布里渊散射(Brillouin Scattering)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种光散射现象。依据弹性声波场产生的原因，它可分为自发布里渊散射和受激布里渊散射。前者是介质内的自发热运动所产生的弹性声波场引起的，是宏观弹性振动，其振动的频率较低；而后者弹性声波场是通过电致伸缩效应而发生的。1.2 自发布里渊散射自发布里渊散射可以看作是一种在泵浦光功率不太高的情况下所产生的一种非线性自发光散射过程。自发散射中散射粒子的运动是无规则的，因此散射光子是非相干的。根据量子理论，在入射光作用下，物质吸收一个入射光子后跃迁到某一能级。在由该能级跃迁到比原来能级低或高的能级时，将发散出与入射光频率不同的散射光子，如图1-2 所示(图中)。图1-2 斯托克斯线和反斯托克斯线分布图图中向低频方向频移的散射光谱线叫做斯托克斯线(Stokes)。向高频方向频移的散射光谱线叫做反斯托克斯线，这里是物质的固有特征频率。用经典理论也可以解释布里渊散射，任何介质在常温状态下，均存在着由其组成粒子(原子、分子或离子)自发热运动所形成的连续弹性力学振动，这种弹性振动将引起介质密度随时间和空间周期性起伏，相应地在介质内部产生一个自发的声波场，当光射入介质时，将受到介质内自发声波场的散射作用，产生自发布里渊散射。如图1-3所示(以Stokes 光为例)。布里渊散射场所服从的受激波动方程： (1-2)图1-3 自发布里渊散射示意图布里渊散射正是由式(1-2)所描述的散射场产生的。前已叙述，布里渊散射光谱在激发线的两侧成对出现斯托克斯和反斯托克斯两条谱线，同样，在式(1-2)所描述的布里渊散射场所服从的波动方程中，存在两个和对称的项，它们正好就对应了布里渊散射的两条散射谱线。1.3 受激布里渊散射由于构成光纤的硅材料是一种电致伸缩材料，当大功率的泵浦光在光纤中传播时，其折射率会增加，产生电致伸缩效应，从而导致大部分传输光被转化为反向传输的散射光，产生另外一种布里渊散射过程(受激布里渊散射)。在实际的受激布里渊散射过程中，第一阶段一般是斯托克斯光的产生过程，入射激光的一部分能量转变为电致伸缩效应感应产生的声波场能量，并同时产生向低频方向移动的斯托克斯散射光。当这种过程进行到一定的程度以至于介质内的感应声波场足够强时，便开始第二阶段的反斯托克斯散射光的产生过程。此时，介质吸收一部分入射的激光束和声波的能量，同时产生向高频方向移动的反斯托克斯散射光，这就是受激布里渊散射(SBS)。相对于光波而言，声波的能量可以忽略，因此在不考虑声波的情况下，这种SBS过程可以概括为频率较高的泵浦光的能量向频率低的斯托克斯光转移的过程。这样受激布里渊散射可以看成仅仅是在有泵浦光存在的情况下在电致伸缩材料中传播的斯托克斯光经历了一个光增益的过程。2. 基于布里渊光时域反射计(OTDR)的分布式传感原理基于OTDR的分布式传感原理如图2-1所示，要实现分布式传感功能首先要对测量点进行定位，然后对散射光的强度或散射光的频率进行测量。图2-1 基于OTDR的分布式传感原理图(1) 散射点的定位脉冲光在传输的同时，不断产生背向散射光，由时钟电路计算入射光和接收到散射光的时间差，可实现散射点的定位。假设在时刻，脉冲光入射到光纤，经过时间接收到散射光，则光传播的距离为： (2-1)其中，C为真空中的光速，n为光纤的折射率。散射光沿与入射光相同的路线返回，则散射点所处位置为： (2-2)这样便实现了散射点的定位。(2) 散射频率的测量布里渊散射频率与光纤的温度和应变有关。布里渊散射信号的频率信息如何获得是传感系统中非常重要的问题。目前布里渊频移的测量主要采用光域外差或电域外差方法，调整布里渊散射信号中心频率，或调整本振信号的频率，以改变本振与散射信号的差频信号的中心频率，使不同频率成份的信号依次通过带通滤波器，得到一系列的测试曲线，达到对整个信号谱进行扫描的效果，然后对沿光纤分布的每个点的测试结果进行曲线拟合，找到幅度最大的点对应的频率，该频率即为该点的布里渊频移。(3) 散射光强度测量假设在理想情况下，光纤结构均匀且没有受到外界调制作用，可以认为光纤的吸收损耗和散射损耗系数均为常数，此时光在光纤中的功率可表示为： (2-3)式中，为散射点的泵浦光功率；为入射端的光脉冲功率；L为散射点距入射端的距离；为散射损耗系数；为吸收损耗系数。由此可以得到散射点的背向散射光功率为： (2-4)式中，S为背向捕捉系数。对于均匀的单模光纤，背向捕捉系数为常数。所以在没有外调制的情况下散射光功率呈指数规律平滑下降。然而，实际光纤系统中，由于光纤的不均匀，或存在熔接点、活动连接器等，使散射强度曲线一般如图2-2所示。图2-2 基于OTDR的背向散射测量曲线由图2-2可以看出，每段光纤都按指数规律平滑衰减，当遇到活动连接器或光纤始端、末端时会产生较大的端面反射，并产生损耗，遇到熔接点会产生熔接损耗，使散射强度突然下降。在布里渊散射中，光纤温度或应力的变化会导致散射损耗系数的变化，此时的散射曲线就会受温度或应力的影响。图2-3为沿光纤分布的温度不一致的情况下的一个散射曲线测试实例。从图2-3中可以看出，光纤温度高的部分散射强度明显增大。因此，可以通过背向散射光的强度来确定沿光纤分布的温度或应变信息。因为光纤布里渊强度的应变系数仅为左右，灵敏度较低，所以用布里渊强度来进行光纤温度的测量更容易实现些。图2-3 光纤温度传感测试曲线3. 温度传感系统在文研究中，利用布里渊散射的频移与温度之间的调制关系来确定传感光纤上温度分布情况。布里渊散射是由固体中的声学声子引起的非弹性散射，布里渊散射的频移主要由介质的声学特性、弹性力学和热弹性力学特性所决定的。故通过温度对光纤中布里渊散射的频移的影响进行分析，建立布里渊频移与温度的直接对应关系。3.1 系统传感原理布里渊散射DOFS利用的是光纤的布里渊散射，在普通石英单模光纤中，布里渊散射光的频移与光纤的有效折射率和超声声速有关，而温度和应力都能改变光纤的折射率和超声声速，所以只要检测光纤中布里渊频移的变化，就可得到温度或应力在光纤上的分布。当温度变化时，温度通过热光效应使光纤折射率发生变化，而温度对声速的影响是通过对，和的调制来实现的，因此，和以及均为温度的函数，不妨记为、和，于是布里渊频移可表示为温度的函数： (3-1)温度对密度和折射率的影响是通过热膨胀效应实现的，所以有必要对光纤的热膨胀系数与温度的关系进行分析。(1) 光纤的热膨胀系数与温度的关系光纤会因温度改变而发生长度变化，这种变化用线膨胀系数来描述。如果长度为的光纤因温度上升而增长，则光纤材料的线膨胀系数由以下方程确定： (3-2)对于给定的材料，值不是常数，而是随温度变