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基于布里渊散射的分布式光纤传感器的进展
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2009-07-13
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目的 介绍了基于布里渊散射的分布式光纤传感器的当前进展及趋势. 方法 给出了基于布里渊散射的分布式光纤传感器的原理, 介绍了基于光纤光时域反射的BO TDR 和BO TDA 的分布式光纤传感器,以及基于自发布里渊散射的同时测试应变和温度分布式光纤传感器, 并指出了遇到的问题. 结果 使读者详细了解基于布里渊散射的分布式光纤传感器当前进展及发展趋势. 结论 基于布里渊散射的分布式光纤传感器继承了分布式光纤传感器的优点, 并使测试的范围增大, 可测信息种类增多, 精度更高.
分布式光纤传感器是目前国内外研究热点, 测试用光纤的跨距可达几十千米, 分辨率高, 误差小[ 1 ].要获得一个具有一定跨度范围的整个温度信息(或分布的应力应变) , 使用传统的单点移动式或由多个单点组成的准分布式传感方式既耗时耗资又在布线上很困难, 其性能价格比是很低的. 而这时使用完全(以区别于准) 分布式温度传感显然是最有效的方法. 这就要求介质既要有高的灵敏度, 又能有效地传输所感应的信号. 光导纤维就具有这种双重特性, 且它还有着抗电磁干扰、防燃、防爆、尺寸极小、对被测温度场的影响小等其它介质无法比拟的优点[ 2 ].B rillou in 散射是入射光与声波或传播的压力波(因此也是密度波) 相互作用的结果. 这个传播的压力波等效于一个以一定速度V B (且具有一定频率8B ) 移动的密度光栅, 因此, B rillou in 散射可看作是入射光在移动的光栅上的散射, 多普勒效应使得散射光的频率不同于入射光. 当某一频率的散射光Xs与入射光XL、压力波8B 满足相位匹配条件, 即XL = Xs+ 8B (对光栅来说, 就是对应于满足布喇格(B ragg) 衍射条件) 时, 此频率的散射光强度为极大值. 而由于散射介质的声波频率8B 与其温度、应力等因素有关.因此, 通过检测最强散射光的频率就可以间接地知道散射介质的温度、应力等情况.
说一个散射过程是自发的, 指的是引起光散射的介质的某种扰动(通常是介电常数) 是由热激励或是由量子机制的零点效应引起的; 而一个受激散射过程是指这种扰动是由于光场的存在通过非线性效应引起的. 实际上, 受激B rillou in 散射首先是被用于光纤通信中对光纤衰减特性的检测, 由Ho riguch i 等人于1989 年进行实验, 他们使用了一个1. 2 m 长的单模光纤和两个在其中相向传输的光束, 为了定位,其中一个光束是脉冲的, 而另一个是连续的, 且频率可调. 当在光纤上某一位置满足XCW = XP - 8B (z )时, 脉冲激光的能量能最有效地转移到连续波激光上, 这时到达探测器的连续波激光强度将出现一个尖峰, 通过找这个尖峰就可知道光纤上某处的温度信息. 首次实验取得了在- 30～ 60℃ 温度范围内, 空间分辨率为100 m , 温度分辨率为3℃ 的性能指标. 从那时起, 世界上进行了许多这方面的研究, 因为这一技术不仅能用于温度分布测量, 而且还能用于应力的分布传感. 多年的努力使性能指标也有了突飞猛进的进展, 至1995 年, 所公布的这类实验系统的性能指标已达到传感距离32 km , 温度分辨率1℃, 和空间分辨率5 m (已几乎是极限值了) [ 3 ].
分布式光纤传感器是目前国内外研究热点, 测试用光纤的跨距可达几十千米, 分辨率高, 误差小[ 1 ].要获得一个具有一定跨度范围的整个温度信息(或分布的应力应变) , 使用传统的单点移动式或由多个单点组成的准分布式传感方式既耗时耗资又在布线上很困难, 其性能价格比是很低的. 而这时使用完全(以区别于准) 分布式温度传感显然是最有效的方法. 这就要求介质既要有高的灵敏度, 又能有效地传输所感应的信号. 光导纤维就具有这种双重特性, 且它还有着抗电磁干扰、防燃、防爆、尺寸极小、对被测温度场的影响小等其它介质无法比拟的优点[ 2 ].B rillou in 散射是入射光与声波或传播的压力波(因此也是密度波) 相互作用的结果. 这个传播的压力波等效于一个以一定速度V B (且具有一定频率8B ) 移动的密度光栅, 因此, B rillou in 散射可看作是入射光在移动的光栅上的散射, 多普勒效应使得散射光的频率不同于入射光. 当某一频率的散射光Xs与入射光XL、压力波8B 满足相位匹配条件, 即XL = Xs+ 8B (对光栅来说, 就是对应于满足布喇格(B ragg) 衍射条件) 时, 此频率的散射光强度为极大值. 而由于散射介质的声波频率8B 与其温度、应力等因素有关.因此, 通过检测最强散射光的频率就可以间接地知道散射介质的温度、应力等情况.
说一个散射过程是自发的, 指的是引起光散射的介质的某种扰动(通常是介电常数) 是由热激励或是由量子机制的零点效应引起的; 而一个受激散射过程是指这种扰动是由于光场的存在通过非线性效应引起的. 实际上, 受激B rillou in 散射首先是被用于光纤通信中对光纤衰减特性的检测, 由Ho riguch i 等人于1989 年进行实验, 他们使用了一个1. 2 m 长的单模光纤和两个在其中相向传输的光束, 为了定位,其中一个光束是脉冲的, 而另一个是连续的, 且频率可调. 当在光纤上某一位置满足XCW = XP - 8B (z )时, 脉冲激光的能量能最有效地转移到连续波激光上, 这时到达探测器的连续波激光强度将出现一个尖峰, 通过找这个尖峰就可知道光纤上某处的温度信息. 首次实验取得了在- 30～ 60℃ 温度范围内, 空间分辨率为100 m , 温度分辨率为3℃ 的性能指标. 从那时起, 世界上进行了许多这方面的研究, 因为这一技术不仅能用于温度分布测量, 而且还能用于应力的分布传感. 多年的努力使性能指标也有了突飞猛进的进展, 至1995 年, 所公布的这类实验系统的性能指标已达到传感距离32 km , 温度分辨率1℃, 和空间分辨率5 m (已几乎是极限值了) [ 3 ].
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