光纤分布式布里渊散射传感技术的发展
摘 要：随着对光纤中非线性效应的不断研究，布里渊散射由于可以同时测量外界环境的温度和应变且测量范围与测量精度均较高，使得其在光纤分布式传感领域得到了广泛的重视和研究。本文介绍了光纤布里渊散射的传感原理，综述了基于布里渊光时域反射、布里渊光时域分析和布里渊光频域分析的光纤分布式传感技术的原理及进展，最后从用户需求方面对光纤分布式布里渊散射传感技术的未来发展方向进行了展望。
关键词：布里渊光时域反射 布里渊光时域分析 布里渊光频域分析 布里渊散射 分布式光纤传感
中图分类号：O437.2；O4-1文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）08（c）-0030-02
光纤传感器（Fiber Optical Sensor）是20世纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有着本质区别。光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质[1]。具有电绝缘性能好、抗电磁干扰能力强、非侵入性、高灵敏度和容易实现对被测信号的远程监控等优点。
在基于非线性光学中散射机理的远距离分布式光纤传感测量中，由于光纤既充当了传感器又充当了信号传输通道，因此具有非常突出的优势。目前所开展的研究工作主要在三个方向，它们的理论基础分别是光纤中的背向布里渊散射、喇曼散射和瑞利散射。这三个方向中，基于布里渊散射的分布式传感技术具有测量范围大、测量精度高及空间分辨率高的特点，因此更为人们关注。当前基于光纤布里渊散射机理的分布式传感技术的研究热点主要包括：布里渊光时域反射（BOTDR）技术、布里渊光时域分析（BOTDA）技术以及布里渊光频域分析（BOFDA）技术。
1 光纤布里渊散射的传感原理
布里渊散射（Brillouin Scattering）是指入射到光纤中的光波与光纤内的弹性声波发生相互作用而产生的一种光散射现象。光纤分布式布里渊散射传感就是利用其背向散射信号来实现对外界物理量的测量。当入射到光纤中的激光功率达到布里渊散射阈值时，背向布里渊散射光信号随之产生。若光纤所处环境的温度发生变化或外界作用力导致光纤轴向应变变化时，光纤中原来的背向布里渊散射光的频率和强度也将随之发生变化。
经过理论推导，可以建立背向布里渊散射光的频率（用νB表示）、强度（用功率PB表示）与温度、应变关系的模型：
式中，νB0和PB0分别为布里渊散射光在标准温度和应变下的频率和功率；△T和△ε分别为温度和应变与标准值之间的差值；、、和分别为布里渊的温度功率系数、应变功率系数、温度频移系数和应变频移系数、。T.R.Parker等人于1998年通过实验测量得到[2]：，， ，。实际应用中，测量出光纤中背向布里渊散射光的强度和频率，根据上述相关参数就可得到光纤铺设沿途外界的应变及温度情况。
2 光纤布里渊分布式传感技术
2.1 BOTDR分布式光纤传感技术
在BOTDR中，随着满足功率要求的脉冲光沿着光纤向前传输，在光纤的输入端就可接收到随之产生的布里渊背向散射光，由脉冲光与某一具体背向散射光之间的时间差可以确定该背向散射光对应的光纤位置，而背向散射光的强度和频移是由外界温度和应变决定，这样就可以通过光纤作为传感器来获取外界的温度和应变信息。
采用光外差相干检测法实验方案[5，6]如图1所示。使用半导体激光器（LD）作为光源，通过耦合器恰当分光后，一路光用于脉冲强度调制，另一路光作为本地参考光。泵浦光首先经由脉冲调制器形成光脉冲。光脉冲经掺铒光纤放大器（EDFA）进行光放大后，由耦合器输入到25km的普通单模传感光纤进行传感。返回的散射光（包括布里渊散射光和瑞利散射光）和本地参考光一起送入外差接收机进行外差检测。
本地参考光由光源的一束分光经微波电光调制器调制后产生。由于布里渊散射光和瑞利散射光之间存在约11 GHz的布里渊频移，且布里渊频移会随着温度或应力的变化而漂移，因此我们需要在以11 GHz频率为中心的范围内调节本地参考光的调制频率，使其与布里渊频移的差值恰好落在约90 MHz的中频范围内，就可以实现外差检测。
2.2 BOTDA分布式光纤传感技术
1990年，Horiguchi等人第一次搭建了BOTDA实验系统[7]，其实验系统组成如图2所示。由一台可调谐激光器1从光纤一端输入脉冲光，另一台可调谐激光器2从光纤另一端输入连续光，当脉冲光与连续光的频率差与光纤中某段的布里渊频移一致时，在该段光纤处就会产生布里渊放大效应（当两束泵浦光在光纤中反向传播，且两光源的频率差恰好为布里渊频移时，能量较低的泵浦信号将被放大，这就是布里渊受激放大效应），能量将在脉冲光和连续光之间产生转移。在实际应用时，布里渊增益信号或布里渊损耗信号都可以作为BOTDA的探测信号。
当传感光纤的某一段受外界影响其温度或应变发生变化时，导致该位置产生的布里渊频移也变化。通过对两台激光器的调谐使二者之间的频率差等于产生的布里渊频移，就能接收到该段光纤的布里渊散射信号。由（1）式可知，温度、应变与产生的频移存在线性关系。这样，可以一面连续调节两台激光器的输出频率，一面检测输出光的功率，当能量每次出现最大时，记录对应的频率差，从而得到温度、应变信息。
BOTDA分布式传感技术得到人们的广泛关注与研究，其中X.Bao等人致力于提高BOTDA传感系统的性能，通过对一根51 km的光纤的布里渊损耗进行测量，实现温度分辨率1℃空间分辨率5 m[8]。
1999年，影响光纤分布式布里渊散射应变测量精度的输入激光的脉宽、布里渊线宽、空间分辨率及系统信噪比等诸因素及其相互关系被Anthony.W等人进行了研究[9]。在他们的实验中，当空间分辨率为0.5m时应变误差为20，当空间分辨率提高1倍到0.25m时，应变误差随之增加1倍达到40；系统的信噪比每降低10 dB，应变误差与之前相比将扩大10倍；布里渊线宽与应变误差的关系为：10 MHz线宽的增加对应1误差的增加。
2.3 BOFDA分布式光纤传感技术
1997年，D.Garus等人提出一种新的光纤分布式传感技术即布里渊频域分析技术（BOFDA）[10]，其实验系统的组成结构如图3所示。
BOFDA在测量温度与应变时，其基本原理与前两种技术相同。它的主要特点在于利用光纤的复合基带传输函数来获取具体测量点的位置，而不再利用经典的光时域反射技术。两束频率不同的连续激光分别从传感光纤的两端注入，其中一束为抽运光，另外一束为探测光，二者的频率差约等于光纤中的布里渊频移量。电光调制器在一频率可变的信号源控制下对探测光进行幅度调制，对每一个确定的信号频率值，两束光的功率都将是一定的，利用两个光电检测器分别检测出它们的功率，再将结果输入到网络分析仪，就可以确定传感光纤的基带传输函数。对基带传输函数进行快速傅立叶反变换，可以得到系统的实时冲激响应，传感光纤外界的温度或应变信息就包含在其中。D.Garus等人在1 km的光纤中实验结果为：温度分辨率5℃、应变分辨率100和空间分辨率3 m。
3 未来的发展方向
光纤分布式布里渊散射传感技术的研究，使得远距离、大范围的长期、连续传感成为可能，也是当今光纤传感发展的一个重要趋势。因此，受激布里渊散射系统的实用化还需经历相当阶段的发展。其未来的发展方向主要会集中在以下几个方面。
（1）发展单端光输入的BOTDA和BOFDA技术。对于物理量的测量，人们总是希望一端是可以直接使用的传感器，另外一端是传感系统的显示与控制端。而在某些特殊应用场合，比如油气井下的温度、压力的测量中，在传感光纤的另外一端实现光的输入是很困难的，因此发展单端光输入技术非常必要。
（2）高精度、高灵敏度、高分辨率的光纤传感器或增敏装置的研制。分布式光纤布里渊散射传感的优点在于长距离、连续测量，但这同样带来了整个传感系统的传感性能（精度、分辨率、灵敏度等）均处于同一水平。如果借助在传感要求精度较高的特殊位置，给光纤安装传感器或增敏装置，就可以大大提高传感系统在该点的检测指标，扩大其应用范围。
（3）基于特种光纤的布里渊散射传感技术的研究。目前，国内外已经对大有效面积非零色散位移传感光纤（LEAF）、保偏光纤（PMF）、光子晶体光纤（PCF）以及铒钇共掺光纤中的布里渊频谱特性进行了研究。对基于特种光纤的布里渊散射传感系统的研制提供了必要的基础。
（4）分布式多维传感技术的研究。当前的光纤布里渊散射传感系统基本上都是单根光纤上的一维分布参数测量，而在很多实际应用中往往需要测量一个区域面的二维问题或一个区块的立体三维问题的参数分布信息。因此，研究多维分布式的参数测量技术将是一个极有应用前景的发展方向。
4 结语
由于声子振动而产生的受激布里渊散射是较早发现的光纤非线性过程之一。过去，人们认为非线性现象会导致电磁波信号的失真，因此极力避免。随着光纤通信传感技术的不断发展，人们越来越认识到光纤中非线性的另一面，基于光纤分布式布里渊散射的传感技术得到了迅速的发展，并取得了很多应用成果。其中基于BOTDR的分布式光纤传感技术已经实现了产品化，但受激布里渊散射系统还有很多方面仍需要继续进行深入研究。
参考文献
[1]黎敏，廖延彪.光纤传感器及其应用技术[M].武汉：武汉大学出版社，2008.
[2]T.R.Parker， M.Farhadiroushan，V.A.Handerek.Simultaneous distributed measurement of strain and temperature from noise-initiated Brillouin scattering in optical fibers[J].Quantum Electron.，1998，34（4）：645-659
[3]何玉钧，李永倩，杨志，等.全光纤Mach-Zehnder干涉仪及其在光纤自发布里渊散射测量中的应用[J].光子学报，2002，31（7）：865-869.
[4]何玉钧，尹成群，等.一个新型的基于全光纤Mach-Zehnder干涉仪BOTDR系统[J].光子学报，2004，33（6）：721-724.
[5]宋牟平，范胜利，陈好，等.基于光相干外差检测的布里渊散射DOFS的研究[J].光子学报，2005，34（2）：233-236.
[6]宋牟平.微波电光调制的布里渊散射分布式光纤传感技术[J].光学学报，2004，24（8）：1111-1114.
[7]Horiguchi T， Tageda M. Optical fiber attenuation investigation using stimulated Brillouin scattering between a pulse and a continuous wave [J]. Optical Letters，1990，2：352-357.
[8]Bao， X.， Dhliwayo， J.Heron， et al. Experimental and theoretical studies on a distributed temperature sensor based on Brillouin scattering [J]. Journal of Lightwave Technology，1995，13（7）：1340-1348.
[9]Anthony W B， Michael D D， Bao Xiaoyi， et al. Analysis of the precision of a Brillouin scattering based distributed strain sensor Proceeding [J].SPIE，1999（3670）：359-365.
[10]Garcus D，Gogolla T，Krebber K，et al.Brillouin optical -fiber frequency-domain analysis for distributed temperature and strain measurements [J]. Lightwave Technology，1997，15（4）：654-662.