于海鷹，李 琪，索 琳，袁曉寧，魏 謙

（山東建筑大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101）

引 言

近年來(lái)，光纖傳感器以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)——防腐蝕、免疫電磁干擾、靈敏度高、可實(shí)現(xiàn)分布式等［1］得到了人們的廣泛關(guān)注。特別是光纖傳感器可構(gòu)成傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量，更加適用于大范圍測(cè)量領(lǐng)域，尤其適于對(duì)橋梁［2］、隧道［3］、大壩［4］、高樓［5］等大型建筑物的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。因此分布式光纖傳感技術(shù)成為近年來(lái)光纖傳感領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

目前光纖傳感器用于分布式測(cè)量的研究主要可分為兩個(gè)方向：一個(gè)是基于光纖后向散射的光時(shí)域及頻域反射技術(shù)的分布式測(cè)量［6］；另一個(gè)是基于光復(fù)用技術(shù)的光纖光柵分布式測(cè)量［7］。本文以光纖測(cè)溫為例，將從其原理、特點(diǎn)和應(yīng)用等方面對(duì)這兩種類(lèi)型的分布式光纖傳感技術(shù)進(jìn)行論述和分析。

1 基于光散射的分布式光纖測(cè)溫技術(shù)

光在光纖中傳輸，由于光纖所存在成分和密度的不均勻性，導(dǎo)致光纖中不均勻的折射率分布，使光在光纖中發(fā)生散射。其中后向散射包括瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射三種類(lèi)型，其頻譜如圖1所示。

光散射型分布式光纖測(cè)溫技術(shù)就是基于光纖內(nèi)部散射光的溫度特性，將較高功率窄光脈沖送入光纖，背向散射光強(qiáng)隨光纖環(huán)境因素變化，然后利用光時(shí)域反射（optical time domain reflectometer，OTDR）技術(shù)或光頻域反射（optical frequency domain reflectometer，OFDR）技術(shù)，將返回的散射光參數(shù)探測(cè)下來(lái)，確定沿光纖分布溫度場(chǎng)的變化。

目前針對(duì)后向散射光的三種類(lèi)型，研究出三種分布式光纖測(cè)溫技術(shù)，分別為瑞利散射測(cè)溫、布里淵散射測(cè)溫和拉曼散射測(cè)溫?；谌鹄⑸涞姆植际綔y(cè)溫系統(tǒng)［8］，雖然背向瑞利散射效應(yīng)相對(duì)較強(qiáng)，但在常規(guī)材料的光纖中隨溫度變化不明顯，所以實(shí)際應(yīng)用不多；基于布里淵散射的分布式測(cè)溫系統(tǒng)［9］，其傳感距離、空間分辨率和溫度分辨率等性能都較優(yōu)秀，但在制造和使用上復(fù)雜又昂貴，所以目前商業(yè)化產(chǎn)品鮮見(jiàn)；基于拉曼散射的分布式測(cè)溫系統(tǒng)［10］，其各項(xiàng)性能較好，且相對(duì)于基于布里淵散射的分布式測(cè)溫系統(tǒng)更易實(shí)現(xiàn)，因此得到普遍應(yīng)用。

1.1 基于拉曼散射的光纖測(cè)溫原理

光在光纖中傳輸，對(duì)于自發(fā)拉曼散射的反斯托克斯光強(qiáng)IAS與斯托克斯光強(qiáng)IS之比滿(mǎn)足下面的公式［11］：

式中：h是普朗克常數(shù)；k是布魯茲曼常數(shù)；ν是激光的頻率；νi是振動(dòng)頻率；T是絕對(duì)溫度。激光源確定后，ν為常數(shù)；νi以由光纖材料決定，光纖確定后，其為常數(shù)。因此，只要得到反斯托克斯光強(qiáng)與斯托克斯光強(qiáng)，通過(guò)（1）式的計(jì)算，就能得到待測(cè)光纖處的溫度T。

圖1 光纖中的后向散射光譜（λ0為入射波長(zhǎng)）Fig.1 Backward scattered spectrum in the optic fiber（λ0is incident wavelength）

圖2 光時(shí)域反射原理圖Fig.2 OTDR schematic

1.2 光時(shí)域反射（OTDR）技術(shù)

圖2中，激光器產(chǎn)生的脈沖光，持續(xù)時(shí)間為t0、能量為E0，在光纖中以速度v（v＝c／n，其中n為纖芯折射率，c為真空中的光速）傳輸，傳輸過(guò)程中發(fā)生光散射。考慮距離激光器為l的光纖前端Q處，長(zhǎng)度為dl的一段光纖，產(chǎn)生的后向散射光經(jīng)過(guò)距離l后，被光電探測(cè)器探測(cè)接收，此時(shí)散射光能量為：

式中：α為單位長(zhǎng)度上的入射光損耗系數(shù)；β為單位長(zhǎng)度上的光后向散射系數(shù)；p為后向散射因子。假設(shè)泵浦脈沖光在時(shí)刻t到達(dá)光電探測(cè)器處，即：

把式（3）代入式（2），dER（vt）／dt表示t→t＋dt期間的平均功率P（t），則：

上式表明了光探測(cè)器探測(cè)到的光功率為信號(hào)返回時(shí)間的函數(shù)，而返回時(shí)間對(duì)應(yīng)于光纖位置。那么通過(guò)光電探測(cè)器測(cè)量的光功率，就能確定產(chǎn)生信號(hào)的光纖位置，從而實(shí)現(xiàn)了沿光纖溫度場(chǎng)的空間分布式測(cè)量［12］。

目前，人們?cè)贠TDR的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化，提出了相關(guān)的技術(shù)：COTDR技術(shù)——利用相干接收原理來(lái)檢測(cè)后向散射信號(hào)［13］，POTDR技術(shù)——通過(guò)光纖中的光偏振態(tài)的演化測(cè)量分析光纖中的后向散射信號(hào)［14－15］。

1.3 光頻域反射（OFDR）技術(shù)

光頻域反射（OFDR）技術(shù)的基本原理［16］如圖3所示。線(xiàn)性?huà)哳l光源發(fā)出光信號(hào)，經(jīng)光纖耦合器分成兩束：一束進(jìn)入待測(cè)光纖，產(chǎn)生散射光。其中滿(mǎn)足光纖數(shù)值孔徑的后向散射光返回，稱(chēng)為信號(hào)光；另一束經(jīng)固定反射鏡返回，其光程是固定的，作為參考光。如果參考光和信號(hào)光滿(mǎn)足光的相干條件，就會(huì)在光電探測(cè)器的光敏面上發(fā)生混頻。對(duì)于光纖上某點(diǎn)處的后向散射信號(hào)，如果設(shè)定其對(duì)應(yīng)的光電流頻率為0，則其頻率大小與散射點(diǎn)位置成正比。因此通過(guò)光電探測(cè)器輸出的光電流頻率就能確定所測(cè)光纖的位置，從而實(shí)現(xiàn)沿光纖溫度場(chǎng)的空間分布式測(cè)量。

1.4 系統(tǒng)性能分析

基于光散射的分布式光纖測(cè)溫技術(shù)，在理論上可真正地實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量，即可得到沿光纖溫度場(chǎng)的一維分布。但在實(shí)際應(yīng)用中，受現(xiàn)實(shí)環(huán)境的影響和測(cè)量?jī)x器的限制，其空間分辨率目前可達(dá)1m［17］。

光散射型分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的測(cè)量信號(hào)為后向散射光，其信號(hào)強(qiáng)度很弱，且隨光纖長(zhǎng)度的增加進(jìn)一步減弱。通過(guò)MATLAB 對(duì)斯托克斯光信號(hào)進(jìn)行仿真，查閱資料得到光纖中產(chǎn)生第i個(gè)斯托克斯的功率為為了方便仿真，設(shè)定光纖中的速度為2.0×108m／s，而h＝6.63×10－34J，仿真所得波形如圖4所示。

圖3 光頻域反射原理圖Fig.3 OFDR schematic

圖4 斯托克斯光功率與光纖長(zhǎng)度關(guān)系的仿真圖Fig.4 Simulation diagram of Stokes light power and fiber length

由圖4可知，光纖中產(chǎn)生的散射光信號(hào)是非常微弱的，且信號(hào)光的功率隨著傳輸距離的增加逐漸衰減，傳輸距離在40km以?xún)?nèi)時(shí)急速衰減，當(dāng)傳輸距離繼續(xù)增大，信號(hào)光功率逐漸趨于平穩(wěn)。

因此，光散射型分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)用于大范圍、長(zhǎng)距離的溫度測(cè)量，由于其信號(hào)強(qiáng)度太弱，將會(huì)大大增加其系統(tǒng)復(fù)雜程度，應(yīng)用成本較高。

2 基于光復(fù)用技術(shù)的光纖光柵分布式測(cè)溫技術(shù)

2.1 光纖光柵測(cè)溫原理

如圖5所示，光在光纖中傳輸，到達(dá)光柵時(shí)，將會(huì)有一部分光被反射回來(lái)。其反射光波長(zhǎng)由纖芯折射率和光柵周期決定：

式中：λB為反射波長(zhǎng)；n為纖芯折射率；Λ為光柵周期。Λ和n均受外界環(huán)境（如溫度）的影響而發(fā)生變化，因而導(dǎo)致光柵的反射波長(zhǎng)移動(dòng)。溫度變化引起的光柵反射波長(zhǎng)移動(dòng)可表示為：

2.2 分布式光纖光柵測(cè)溫技術(shù)

光纖布拉格光柵（fiber Bragg grating，F(xiàn)BG）傳感器主要是通過(guò)光復(fù)用技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)分布式傳感定位。用于分布式傳感系統(tǒng)的常用光復(fù)用技術(shù)有波分復(fù)用（wavelength division multiplexing，WDM）、時(shí)分復(fù)用（time division multiplexing，TDM）和空分復(fù)用（spatial division multiplexing，SDM）。

光纖光柵的傳感機(jī)理是波長(zhǎng)調(diào)制，所以光纖FBG傳感器最直接就是采用WDM，通過(guò)波長(zhǎng)尋址，實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量［19］。其基本原理如圖6所示：寬帶光源產(chǎn)生的光信號(hào)在光纖中傳輸，到達(dá)波長(zhǎng)不同的FBG傳感陣列，各FBG光柵反射回光信號(hào)的波長(zhǎng)是不同的，通過(guò)FBG波長(zhǎng)對(duì)各個(gè)傳感器尋址，實(shí)現(xiàn)WDM的分布式測(cè)溫［20］。

圖5 光纖光柵模型圖Fig.5 Fiber grating model

圖6 WDM傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.6 The structure of WDM sensing system

時(shí)分復(fù)用（TDM）技術(shù)［21］就是通過(guò)不同的時(shí)間間隔分離各路信號(hào)，也就是把時(shí)間分成均勻的間隔，將各路信號(hào)分配在不同的時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行傳輸?；赥DM的分布式光纖測(cè)溫的工作原理如圖7所示：光源產(chǎn)生的脈沖光信號(hào)射入光纖中，到達(dá)距離不同的各個(gè)FBG光柵，反射回脈沖信號(hào)。各個(gè)FBG光柵位置不同，意味著反射信號(hào)到達(dá)解調(diào)系統(tǒng)的時(shí)間不同，通過(guò)信號(hào)光返回時(shí)間對(duì)各個(gè)傳感器尋址，實(shí)現(xiàn)TDM的分布式測(cè)溫［22］。

基于空分復(fù)用（SDM）的分布式光纖測(cè)溫的工作原理如圖8所示：光源信號(hào)入射進(jìn)FBG陣列，將FBG傳感器的反射信號(hào)分解到不同光通道［23］，各反射光信號(hào)分別通過(guò)各自的光通道到達(dá)解調(diào)系統(tǒng)。通過(guò)空間通道結(jié)構(gòu)尋址各FBG傳感器，實(shí)現(xiàn)SDM的分布式測(cè)溫。

2.3 系統(tǒng)性能分析

相對(duì)于單個(gè)光纖光柵溫度傳感器，基于波分復(fù)用的分布式測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)信號(hào)強(qiáng)度影響較小，因此解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，比較易于實(shí)現(xiàn)。但是，由于分布式測(cè)溫系統(tǒng)采用波分復(fù)用技術(shù)，光源帶寬和FBG對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)幅寬的要求限制了系統(tǒng)的傳感器復(fù)用容量，其系統(tǒng)的傳感器數(shù)量一般不會(huì)超過(guò)30［7］。同樣，采用時(shí)分復(fù)用和空分復(fù)用的分布式測(cè)溫系統(tǒng)也存在種種限制和缺陷。目前，基于光復(fù)用的分布式測(cè)溫系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于土木工程，石油［24］和電力監(jiān)測(cè)等大范圍測(cè)溫領(lǐng)域，但卻難以滿(mǎn)足現(xiàn)實(shí)需要，仍需進(jìn)行大力改進(jìn)。

圖7 TDM傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.7 The structure of TDM sensing system

圖8 SDM傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.8 The structure of SDM sensing system

3 結(jié) 論

分布式光纖測(cè)溫作為一種優(yōu)勢(shì)明顯的新型傳感測(cè)溫技術(shù)，盡管目前發(fā)展還不夠成熟，仍存在許多問(wèn)題，但是其優(yōu)越性和發(fā)展?jié)摿s是顯而易見(jiàn)的。不但在高、精、尖領(lǐng)域得到應(yīng)用，而且在傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域被迅速推廣。因此，仍需進(jìn)一步的研究，改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)方法［25］，研究新的傳感理論。可以預(yù)見(jiàn)隨著制作技術(shù)的日益成熟和器件性能的不斷提高，光纖測(cè)溫系統(tǒng)必將在土木工程、水利電力等各個(gè)領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。

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