基于瑞利散射的分布式光纖傳感技術(shù)

光纖中的散射光當(dāng)光〔電磁〕波射入介質(zhì)時，假設(shè)介質(zhì)中存在某些不均勻性〔如電場、相位、粒子數(shù)密度n、聲速v等〕使光〔電磁〕波的傳播發(fā)生變化，有一局部能量偏離預(yù)定的傳播方向而向空間中其他任意方向彌散開來，這就是光散射。光的散射現(xiàn)象的表現(xiàn)形式是多種多樣的，從不同的角度出發(fā)，可有不同的分類，但從產(chǎn)物的物理機制來看，可以分為兩大類：第一類是非純潔介質(zhì)中的光散射，該散射現(xiàn)象不是介質(zhì)本身所固有的，而強烈地依賴于摻雜進(jìn)來的散射中心的性質(zhì)或介質(zhì)本身的純潔度。其規(guī)律主要表現(xiàn)為：散射光的頻率與入射光的頻率相同；散射光的強度與入射波長成一定關(guān)系。第二類是純潔介質(zhì)中的散射，即使所考慮的介質(zhì)是由成分相同的純物質(zhì)組成，其中不含有外來摻雜的質(zhì)點、顆?；蚪Y(jié)構(gòu)缺陷等，仍然有可能產(chǎn)生光的散射現(xiàn)象，這些散射現(xiàn)象是介質(zhì)本身所固有的，與介質(zhì)本身的純潔度沒有本質(zhì)上的關(guān)系。屬于這類純潔介質(zhì)的散射現(xiàn)象有如下幾種：瑞利散射設(shè)介質(zhì)是由相同的原子或分子組成，由于這些原子或分子空間分布的隨機性的統(tǒng)計起伏〔密度起伏〕，造成與電極化特性相應(yīng)的隨機性起伏，而形成入射光的散射。這種散射現(xiàn)象的特點是頻率與入射光頻率相同，在散射前后原子或分子內(nèi)能不發(fā)生變化，散射光強度與入射光波長的四次方成反比。拉曼散射這種散射現(xiàn)象通常發(fā)生在由分子組成的純潔介質(zhì)中，組成戒指的分子是由一定的原子或離子組成的，它們在分子內(nèi)部按一定的方式運動〔振動或轉(zhuǎn)動〕，分子內(nèi)部粒子間的這種相對運動將導(dǎo)致感生電偶極矩隨時間的周期性調(diào)制，從而可以產(chǎn)生對入射光的散射作用；在單色光入射的情況下，這將是散射光的頻率相對于入射光發(fā)生一定的移動，頻移量正好等于上述調(diào)制頻率，亦即與散射分子的組成和內(nèi)部相對運動規(guī)律有關(guān)。布里淵散射對于任何種類的純潔介質(zhì)來說，由于組成介質(zhì)的質(zhì)點群連續(xù)不斷的做熱運動，使得在介質(zhì)內(nèi)始終存在著不同程度上的彈性力學(xué)振動或聲波場。連續(xù)介質(zhì)的這種宏觀彈性力學(xué)振動，意味著介質(zhì)密度〔從而也是折射率〕隨時間和空間的周期性起伏，因而可對入射光產(chǎn)生散射作用，這種作用類似于超聲波對光的衍射作用，并且散射光的頻移大小與散射角及介質(zhì)的聲波特性有關(guān)。光纖中的散射光譜可以看出，在光纖背向散射譜分布圖中，激發(fā)線兩側(cè)的頻譜是成對出現(xiàn)的。在低頻一側(cè)頻率為的散射光為斯托克斯光Stokes；在高頻的一側(cè)頻率為的散射光為反斯托克斯光anti-Stoke，它們同時包含在拉曼散射和布里淵散射譜中?；谌鹄⑸涞姆植际焦饫w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)生彈性碰撞引起的，散射光的頻率與入射光的頻率相同。一般采用光時域反射〔OTDR〕結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)被測量的空間定位。瑞利散射的原理是沿光纖傳播的光在纖芯內(nèi)各點都會有損耗，一局部光沿著與光纖傳播方向成180°的方向散射，返回光源。利用分析光纖中后向散射光的方法測量因散射、吸收等原因產(chǎn)生的光纖傳輸損耗和各種結(jié)構(gòu)缺陷引起的結(jié)構(gòu)性損耗，通過顯示損耗與光纖長度的關(guān)系來檢測外界信號場分布于光纖上的擾動信息。由于瑞利散射屬于本征損耗，因此可以作為應(yīng)變場檢測參量的信息載體，提供沿光路全程的單值連續(xù)檢測信號。利用光時域反射〔OTDR〕原理來實現(xiàn)對空間分布的溫度的測量。當(dāng)窄帶光脈沖被注入到光纖中去時，該系統(tǒng)通過測后向散射光強隨時間變化的關(guān)系來檢查光纖的連續(xù)性并測出其衰減。入射光經(jīng)背向散射返回到光纖入射端所需的時間為t，激光脈沖在光纖中所走過的路程為2L=v*t。v是光在光纖中傳播的速度，v=c/n，c為真空中的光速，n為光纖的折射率。在t時刻測量的是離光纖入射端距離為L處局域的背向散射光。采用OTDR技術(shù)，可以確定光纖處的損耗，光纖故障點、斷點的位置?；诶⑸涞姆植际焦饫w傳感技術(shù)光在光纖中傳播時，光纖中的光學(xué)光子和光學(xué)聲子產(chǎn)生非彈性碰撞，產(chǎn)生拉曼散射過程。在光譜圖上，可以看到拉曼散射頻譜具有兩條譜線，分別在入射光譜線的兩側(cè)，其中頻率為的為斯托克斯光，頻率為的為反斯托克斯光。實驗發(fā)現(xiàn)在自發(fā)拉曼散射中，反斯托克斯光〔anti-Stokes〕對溫度敏感，其強度受溫度調(diào)制，而斯托克斯〔Stokes〕根本上與溫度無關(guān)，兩者光強度比只和溫度有關(guān)，并可有下式表示：〔1〕式中，為待測溫度的函數(shù)，為反斯托克斯光強，為斯托克斯光強，為反斯托克斯光頻率，為斯托克斯光頻率，為普朗克常量，為波爾茲曼常量，為絕對溫度。因此，以反斯托克斯光作為信號通道，斯托克斯光作為參考通道，檢測兩者光強的比值，就可以解調(diào)出散射區(qū)的溫度信息，同時還可以有效的消除光源的不穩(wěn)定以及光線傳輸過程中的耦合損耗、光纖彎曲損耗和傳輸損耗等的影響。拉曼散射分布式光纖傳感器的唯一缺乏之處是返回信號相當(dāng)弱，因為反斯托克斯散射光比瑞利散射光強要弱20┄30dB。為了防止信號處理過程中信號平均時間過長，脈沖激光源的峰值功率相當(dāng)高?；诓祭餃Y散射的分布式光纖傳感技術(shù)由于介質(zhì)分子內(nèi)部存在一定形式的振動，引起介質(zhì)折射率隨時間和空間周期性起伏，從而產(chǎn)生自發(fā)聲波場。光定向入射到光纖介質(zhì)時受到該聲波場的作用，光纖中的光學(xué)聲子和光學(xué)光子發(fā)生非彈性碰撞，那么產(chǎn)生布里淵散射。在布里淵散射中，散射光的頻率相對于泵浦光有一個頻移，該頻移通常稱為布里淵頻移。散射光布里淵頻移量的大小與光纖材料聲子的特性有直接關(guān)系。當(dāng)與散射光頻率相關(guān)的光纖材料特性受溫度和應(yīng)變的影響時，布里淵頻移大小將發(fā)生變化。因此通過測定脈沖光的后向布里淵散射光的頻移量就可以實現(xiàn)分布式溫度應(yīng)變測量。光纖中布里淵散射通過相對于入射泵浦波頻率下移的斯托克斯波的產(chǎn)生來表現(xiàn)，布里淵散射可以看作是泵浦波和斯托克斯波、聲波之間的參量相互作用。散射產(chǎn)生的布里淵頻移量與光線中的聲速成正比：〔2〕式中，為光纖中的聲速，為光波長。而光纖中的折射率和聲速都與光纖的溫度以及所受的應(yīng)力等因素有關(guān)，這使布里淵頻移隨參數(shù)的變化而變化，溫度和光纖應(yīng)變都會造成布里淵頻率的線性移動，可表示為：〔3〕實驗發(fā)現(xiàn)，布里淵功率也隨溫度和應(yīng)變而變化，布里淵功率隨溫度的上升而線性增加，隨應(yīng)變增加而線性下降。因此布里淵功率也可表示為：〔4〕其中，，分別為，應(yīng)變?yōu)闀r的布里淵頻移和功率，、分別為布里淵頻移對應(yīng)的溫度系數(shù)和應(yīng)變系數(shù)，、分別為布里淵光功率對應(yīng)的溫度系數(shù)和應(yīng)變系數(shù)。由于應(yīng)變相對于溫度對布里淵散射光功率的影響要小的多，一般可以忽略，而認(rèn)為布里淵散射光功率只與溫度有關(guān)。因此由3、4兩式可知，通過檢測布里淵散射光的光功率和頻率即可得到光纖沿線的溫度、應(yīng)變等的分布信息。目前對布里淵散射的分布式光纖傳感器主要集中在以下三個方面的研究：基于布里淵光時域反射〔BOTDR〕技術(shù)的分布式光纖傳感器；基于BOTDR技術(shù)的光纖傳感技術(shù)是在傳統(tǒng)的光時域反射儀〔OTDR〕根底上開展起來的。在OTDR系統(tǒng)中，光脈沖注入光纖系統(tǒng)的一端，光纖中的背向瑞利散射光作為時間的函數(shù)，同時帶有光纖沿線溫度/應(yīng)變分布的信息：散射光與脈沖光之間的時間延遲提供對光纖的位置信息的測量，散射光的強度提供對光纖的衰減測量。在BOTDR中，背向的自發(fā)布里淵散射取代了瑞利散射，由于布里淵散射受溫度和應(yīng)變的影響，因此通過測量布里淵散射便可以得到溫度和應(yīng)變信息。布里淵散射極其微弱，相對于瑞利散射來說要低大約2┄3個數(shù)量級，而且相對于Raman散射來說布里淵頻移很小〔對于一般光纖1550nm時約11GHz左右〕，檢測起來較為困難。通常采用的檢測方法有直接檢測和相干檢測兩種。對于布里淵散射信號的直接檢測需要將微弱的布里淵散射光從瑞利背向散射光中別離出來。傳統(tǒng)的方法測量布里淵譜線是利用F-P干預(yù)儀，但由于干預(yù)儀工作不穩(wěn)定，插入損耗較大，且布里淵散射較弱，測得的布里淵頻移往往不夠準(zhǔn)確。最近K.DeSouza首次利用Mach-Zehnder干預(yù)儀實現(xiàn)了自發(fā)布里淵散射和瑞利散射光的別離，再對布里淵散射信號的頻移和強度進(jìn)行測量來得到分布的溫度和應(yīng)變信息。相干檢測采用一臺脈沖激光器和一臺連續(xù)激光器分別作為脈沖光源和泵浦光源，脈沖光和泵浦光的頻差調(diào)到布里淵頻移附近，這樣脈沖光進(jìn)入光纖后其后向布里淵散射光的頻率就與泵浦光的頻率相近，可用窄帶相干接收機接收布里淵信號。這種方法實現(xiàn)較為簡單，但對光源的穩(wěn)定性要求較高。1994年，有人又在脈沖探測光光路中引入了一個光移頻環(huán)路實現(xiàn)了一個高精度的相干自外差BOTDR監(jiān)測系統(tǒng)，得到空間分辨率100m，溫度/應(yīng)變探測精度2/0.01%，動態(tài)范圍16/12dB。其后他們又對該系統(tǒng)進(jìn)行改良，采用一個BOTDR與一個COTDR〔相干OTDR〕組成一個新的OTDR系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以同時測量光纖沿線的溫度和應(yīng)變分布，同時還可利用COTDR測量光纖沿線地?fù)p耗分布?；诓祭餃Y光時域分析〔BOTDA〕技術(shù)的分布式光纖傳感器；BOTDA技術(shù)最初由Horiguchi等人提出來的，基于該技術(shù)的光纖分布式傳感器典型結(jié)構(gòu)如下列圖1.4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)光注入光纖，當(dāng)泵浦光和探測光的頻差與光纖中某區(qū)域的布里淵頻移相等時，在該區(qū)域就會產(chǎn)生布里淵放大效應(yīng)〔受激布里淵散射〕，稱之為布里淵受激放大作用，兩光束之間發(fā)生能量轉(zhuǎn)移。在BOTDA中，當(dāng)泵浦光的頻率高于探測光的頻率時，泵浦光的能量向探測光轉(zhuǎn)移，這種傳感方式稱為布里淵增益型；泵浦光的頻率低于探測光的頻率時，探測光的能量向泵浦光轉(zhuǎn)移，這種傳感方式稱為布里淵損耗性。BOTDA技術(shù)便利用這一原理，其探測信號可以是布里淵增益信號，也可是布里淵損耗信號。根據(jù)BOTDA的工作原理可知，當(dāng)滿足時，脈沖光的能量轉(zhuǎn)移給連續(xù)光，得到布里淵增益信號，即連續(xù)光能量增加；當(dāng)滿足時，脈沖光被放大，連續(xù)光衰減，得到布里淵衰減信號。當(dāng)光纖的某一局部發(fā)生應(yīng)變時，那里的布里淵頻移便由變?yōu)椤病?，結(jié)果引起這局部BOTDA信號的急劇衰減。調(diào)諧使入射泵浦光和探測光之間的頻率差等于，便能接收到該點的布里淵散射信號。由于布里淵頻移與溫度、應(yīng)變存在線性關(guān)系，因此在對兩激光器的頻率進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)的同時，通過檢測光纖一端耦合出來的連續(xù)光的功率，就可以確定光纖各小段區(qū)域上能量轉(zhuǎn)移到達(dá)最大時隨對應(yīng)的頻率差，從而得到溫度應(yīng)變信息，實現(xiàn)分布式測量。相對而言，對于布里淵損耗型，由于脈沖光在沿光纖中傳播時被放大，能量增加，因此利用布里淵損耗信號可測量得到更長的距離，具有一定的優(yōu)越性。BOTDA系統(tǒng)的顯著特點是動態(tài)范圍大，測量精度高。該技術(shù)不能測斷點?；诓祭餃Y光頻域分析〔BOFDA〕技術(shù)的分布式光纖傳感器；布式光纖傳感技術(shù)。系統(tǒng)實驗框圖如1.6所示。BOFDA同樣是利用布里淵頻移特性來實現(xiàn)溫度/應(yīng)變的傳感，但其被測量空間定位不再是傳統(tǒng)的廣時域反射技術(shù)，而是通過得到光纖的復(fù)合基帶傳輸函數(shù)來實現(xiàn)的。因此傳感光纖兩端所注入的光為頻率不同的連續(xù)光，其中探測光與泵浦光頻差約等于光纖中的布里淵頻移分量。探測光首先經(jīng)過調(diào)制頻率可變的電光調(diào)制器進(jìn)行幅度調(diào)制，調(diào)制強度為注入光纖的探測光和泵浦光在光纖中相互作用的邊界條件。對每個不同的調(diào)制信號頻率，都對應(yīng)著一個探測光功率和泵浦光功率。調(diào)節(jié)，在耦合器的兩個輸出端同時檢測注入光纖的探測光功率和泵浦光功率，通過和檢測器相連的網(wǎng)絡(luò)分析儀就可以確定傳感光纖的基帶傳輸函數(shù)。利用快速傅里葉逆變換〔IFFT〕由基帶傳輸函數(shù)即可得到系統(tǒng)的實時沖擊響應(yīng)，便反映了光纖沿線的溫度/應(yīng)變等的分布信息。在BOFDA系統(tǒng)中，系統(tǒng)的空間分辨率由調(diào)制信號的最大和最小調(diào)制頻率決定，最大傳感距離由調(diào)制信號頻率變化的步長決定。基于上述原理，D.Garus等人做了基于BOFDA分布式光纖傳感系統(tǒng)實驗方面的研究，并取得了溫度分辨率，應(yīng)變分辨率0.01%和空間分辨率3m的實驗結(jié)果。由于布里淵散射是由固體中的光學(xué)聲子引起的非彈性散射，故布里淵散射的頻移量和強度主要由介質(zhì)的聲學(xué)特性、彈性力學(xué)和熱彈性力學(xué)特性所決定。由前面的分析，可知布里淵散射是由介質(zhì)中的聲學(xué)聲子引起的一種非彈性散射過程，其散射光相對于入射光的布里淵頻移由介質(zhì)的聲學(xué)特性和彈性力學(xué)特性決定。此外還與入射光的頻率和散射角有關(guān)，即：〔3-1〕式中，為斯托克斯光頻率，為反斯托克斯光頻率，n為介質(zhì)的折射率，為真空中的光速，為光纖中的聲速。聲速由下式給出：〔3-2〕其中E為楊氏模量，為光纖密度，k為泊松比。對于普通石英介質(zhì)光纖，其散射光主要發(fā)生在背向。因此只考慮背向散射的情形，即。在光纖中存在著熱光效應(yīng)和彈光效應(yīng)，溫度和應(yīng)變分別是通過熱光效應(yīng)和彈光效應(yīng)使光纖折射率發(fā)生變化，而溫度和應(yīng)變對聲速的影響那么是通過對楊氏模量E，光纖密度，泊松比k的調(diào)制來實現(xiàn)的。這樣光纖的折射率n，楊氏模量E，光纖密度，泊松比k均可表示為溫度T和應(yīng)變的函數(shù)，分別記為、、和。在的情況下，將它們代入〔3-1〕式可得：〔3-3〕這樣布里淵頻移就變成了溫度和應(yīng)變的函數(shù)。顯然，布里淵頻移與材料的性質(zhì)有關(guān)，對溫度和應(yīng)變比擬敏感。先假設(shè)溫度為室溫恒定，只考慮應(yīng)變對布里淵頻移的影響。即〔3-4〕由于光纖為脆性材料，故其拉伸應(yīng)變很小，因此可以將〔3-4〕式右邊各個與有關(guān)的量在處展開成泰勒級數(shù)，并精確到的一次項，那么可得到：〔3-5〕設(shè)：，，，。將3-5式代入3-4式，做二項式展開，同樣精確到的一次項，可得到如下關(guān)系：〔3-6〕令，，和，那么上式可寫成：〔3.7〕有上面的推到可知，在得到光纖的各參數(shù)的情況下，就可以方便的得到應(yīng)變與布里淵頻移的定量關(guān)系。值得說明的是，要詳細(xì)推導(dǎo)并得出所有這些參數(shù)的定量取值，需要對光纖微觀結(jié)構(gòu)及原子間的相互作用勢必進(jìn)行研究，這是一個比擬復(fù)雜的物理問題。對于普通單模光纖，其對應(yīng)的個參數(shù)值如下：，，，。所以：〔3.8〕〔3-9〕由上式可以看出，在溫度一定的情況下，布里淵頻移變化量與應(yīng)變成線性關(guān)系。而且由推到可知，在應(yīng)變對布里淵頻移的影響中，楊氏模量、泊松比對頻移變化的奉獻(xiàn)遠(yuǎn)大于其它參數(shù)，因此，光纖中由應(yīng)變引起的布里淵頻移變化主要是通過調(diào)制楊氏模量和泊松比實現(xiàn)的。由于光纖中應(yīng)變的數(shù)量級為，所以由式3-9可知，當(dāng)入射波長為，單模普通石英光纖在常溫及無應(yīng)變的情況下的布里淵頻移約為11GHz，故應(yīng)變每變化所引起的布里淵頻移變化約為50MHz。假設(shè)，所以布里淵頻移與溫度的關(guān)系為：〔3-10〕在溫度變化較小的情況下，將上式在處展開成泰勒級數(shù)，并精確到T的一次項，并令，，和可得到：〔3-11〕計算可得，，，。將這些參數(shù)代入到前面的等式，可以得到布里淵頻移對溫度變化的定量關(guān)系如下：〔3-12〕當(dāng)應(yīng)變?yōu)?，溫度為，泵浦光波長為時，普通單模光纖的頻移約為11GHz。由上式可知布里淵頻移與溫度成線性關(guān)系，溫度每變化，布里淵頻移變化約為1.2MHz。在一定注入光功率下，其散射光的強度同樣受溫度/應(yīng)變的影響。T.R.Parker等人的研究和實驗說明，光纖中的布里淵散射光功率與其所受的溫度/應(yīng)變的函數(shù)關(guān)系為：〔3-13〕其中，為布里淵功率變化量，，分別為布里淵功率溫度系數(shù)和應(yīng)變溫度系數(shù)。因此在溫度、應(yīng)變系數(shù)的情況下，測定布里淵散射光信號的頻移和功率，即可得到光纖沿線的溫度和應(yīng)變信息，這也是基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)的傳感機理。T，。從上述系數(shù)分析可以得到：溫度對布里淵頻移的影響要比應(yīng)變對布里淵頻移的影響小得多，和應(yīng)變相比，如果環(huán)境溫度變化不超過，那么溫度對布里淵頻移的影響可以忽略不計；另一方面，由于應(yīng)變對布里淵散射光功率的影響遠(yuǎn)小于溫度的影響，一般可以忽略不計，而認(rèn)為布里淵散射光功率只與溫度有關(guān)。對于一個實際的布里淵分布式傳感系統(tǒng)，以上這些系數(shù)需要通過對系統(tǒng)的定標(biāo)以及對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到，從而建立精確的布里淵散射頻移、強度與溫度應(yīng)變的關(guān)系。系統(tǒng)原理是：從連續(xù)激光器發(fā)出的連續(xù)相干光由50/50耦合器分為探測光和本地參考光束。探測光經(jīng)聲光調(diào)制器〔A01〕調(diào)制成脈沖光，并由另一個50/50耦合器注入移頻環(huán)路，移頻環(huán)路主要包括一個摻餌光纖放大器、一個聲光移頻器〔A02〕、一個窄帶濾波器和一個偏振控制器。脈沖光束在移頻環(huán)路中的損耗通過摻餌光纖放大器來補償，耦合進(jìn)移頻環(huán)路中的光束在環(huán)路中循環(huán)屢次并得到很大的頻移。從聲光移頻環(huán)路中出來得到一系列脈沖光，光頻隨著時間以聲光移頻器工作頻率等間隔遞增。進(jìn)入光纖的探測脈沖〔頻移量近似等于光纖中產(chǎn)生的布里淵頻移〕先由聲光調(diào)制器〔A03〕選擇提取，再經(jīng)EDFA放大，然后注入測試光纖。測試光纖中的自發(fā)布里淵后向散射光通過耦合器進(jìn)入外差接收機，參考光作為相干探測的本振光源與之產(chǎn)生相干自外差。由于布里淵散射使布里淵散射脈沖產(chǎn)生向下頻移，正好抵消在聲光移頻環(huán)路中的頻移上升量，使得散射脈沖的頻率與參考脈沖的頻率根本相當(dāng)，外差拍頻可以降低到100MHz，這是傳統(tǒng)外差接收機的典型有效頻帶。另外，通過調(diào)節(jié)移頻環(huán)路中的聲光移頻頻率，可以精確調(diào)整探測光的頻移量。不斷地調(diào)整聲光移頻環(huán)路中探測光的頻移量，便可以得到不同的相干自外差信號差頻頻率，以及該差頻下對應(yīng)的布里淵散射光功率。根據(jù)所得的差頻頻率及散射光功率，我們可以得到布里淵頻譜，從而可以測量得到光纖中的布里淵頻移量。根據(jù)前面的分析，由式3-7，事先通過實驗確定該式中的參數(shù)，，，以及建立布里淵頻移量與光纖中應(yīng)變/溫度的對應(yīng)關(guān)系，應(yīng)變所產(chǎn)生的頻移變化量就可被轉(zhuǎn)換成被測光纖中各點的拉伸應(yīng)變值。實驗發(fā)現(xiàn)，在探測波長為時，由于壓力〔溫度〕變化產(chǎn)生的布里淵頻移系數(shù)約為1Mhz/0.02%〔1Mhz/K〕。波長為1550nm的相干連續(xù)光由一臺頻率穩(wěn)定的DFB激光器發(fā)出，為了能夠進(jìn)行長距離的相干檢測，激光器必須為窄線寬，擬定激光器線寬為1MHz。激光器輸出的光功率為1mW〔4.8dBm〕的連續(xù)光，經(jīng)50/50耦合器分為探測光和參考光。探測光先由第一個光放大器放大到約4dBm，然后經(jīng)過一個聲光調(diào)制器AO調(diào)制成脈寬為〔對應(yīng)空間分辨率為100m〕，重復(fù)頻率為2KHz的脈沖光。探測脈沖被耦合進(jìn)光移頻環(huán)路，在移頻環(huán)路中采用第二個光放大器進(jìn)行約7dBm的放大〔應(yīng)該根據(jù)移頻環(huán)路中實際的損耗來調(diào)節(jié)放大器的增益，以保證探測脈沖的功率穩(wěn)定性〕。產(chǎn)生的系列頻率遞增的光脈沖經(jīng)第三個放大器放大至10dBm。頻移量等于光纖中布里淵頻移的光脈沖由聲光調(diào)制器AO3選擇出來。由于1550nm時，光纖中的布里淵頻移量約為11.2GHz，聲光移頻器單次移頻70MHz，那么在環(huán)路中循環(huán)160次〔〕被選出作為探測脈沖。一局部的探測脈沖可經(jīng)過90/10光纖耦合器進(jìn)入相干接收機，在此局部參考光作為本振光源與探測脈沖進(jìn)行相干探測。從頻譜分析儀上我們可以監(jiān)測到探測脈沖的頻移量。經(jīng)AO3及耦合器等后探測脈沖光功率降為大約5dBm，再經(jīng)光放大器放大至約為26dBm，由于該放大器是后置放大，因此，由自發(fā)輻射噪聲和參考光相干所產(chǎn)生的噪聲增加可以忽略不計。為了同時檢測探測脈沖的形狀，放大后的探測脈沖經(jīng)50/50耦合進(jìn)待測光纖，一半光功率的脈沖由光電探測器顯示到示波器上。除去光放大器所產(chǎn)生的自發(fā)輻射噪聲，進(jìn)入測試光纖的有效脈沖峰值功率約為20dBm。布里淵散射光功率及散射譜分析由布里淵散射理論可知，在BOTDR系統(tǒng)中，傳感光纖中的各點對入射光脈沖產(chǎn)生后向自發(fā)布里淵散射。后向散射因子為：〔3-14〕其中，分別為由于布里淵散射引起的光纖損耗系數(shù)及后向散射系數(shù)：〔3-15〕〔3-16〕其中為波爾茲曼常量，T為絕對溫度，為光彈性張量，為光纖的密度，為光纖中的聲速，、分別為光速及探測光脈沖寬度，為光纖的有效面積。對于1550nm普通單模光纖，當(dāng)脈寬為時，對應(yīng)的空間分辨率，約為，S約為，那么布里淵后向散射因子約為-67.5dB。另外，為了得到自發(fā)布里淵散射光的精細(xì)譜線寬，一局部散射光先通過一帶寬為B的電子帶通濾波器BPF，然后進(jìn)行探測。自發(fā)的布里淵散射光譜受到BPF選擇，其選擇比定義為通過濾波器后的信號功率和總的布里淵散射功率之比，峰值近似為：〔3-17〕式中，為布里淵散射譜線寬。低頻帶通濾波器LPF的帶寬B必須滿足下式：〔3-18〕對于普通單模石英光纖，，系統(tǒng)采用脈沖，因此帶寬B選擇為1MHz左右，選擇比約為-16.7dB。那么經(jīng)過選擇的布里淵散射信號的總的后向散射因子大約為-84dB。它要比瑞利后向散射因子大約低3個數(shù)量級，這也是本文采用外差探測的原因之一。由上可得，輸出的布里淵散射光功率為：〔3-19〕式中為耦合進(jìn)光纖中的探測脈沖峰值功率，為光纖的損耗系數(shù)，其典型值為，z為在光纖中傳輸?shù)木嚯x。從上面的分析可知，當(dāng)進(jìn)入光纖的探測脈沖峰值功率為20dBm，探測光纖的長度為5km，在從光纖末端返回的布里淵散射光功率約為-70dBm?？芍摴夤β蕵O其微弱。由上面的分析可知，任一方向〔散射角除外〕的散射光的頻譜并不是單一譜線，它們都具有一定的頻寬。光纖中聲波的強烈指數(shù)衰減使布里淵增益呈洛倫茲型：〔3-20〕其中為布里淵增益譜中心頻率，為布里淵增益譜全寬半高〔FWHM〕線寬，為中心頻率時的布里淵增益系數(shù)：〔3-21〕為光纖中的光彈性張量，為光纖的密度，為光纖中的聲速。對每一個布里淵增益譜都有一個確定的中心相應(yīng)頻率和一個FWHM線寬，如下列圖所示。在電磁波譜的射頻和微波波段，作為一種探測技術(shù)，外差接收技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。被信息調(diào)制的高頻載波在接收端與一定頻率的本機振蕩信號相混頻，得到頻率為二者之差的中頻信號，這個中頻信號保持了調(diào)制信號的特征，通過檢測中頻信號就能最終解調(diào)出被傳送的信息。把這種技術(shù)引申到光頻波段，就開展成多種形式的光外差探測技術(shù)。它是探測微弱光信號的實用而有效的方法。自發(fā)的布里淵后向散射信號通過光纖耦合器直接進(jìn)入一個平衡外差PIN接收機，從激光器出來的參考光作為相干探測的本振光源。設(shè)布里淵散射光為：〔3-22〕參考光為：〔3-23〕假定光探測器的光敏面上量子效率是均勻的，且處處都是，垂直入射到這個外表的是兩束平行且重合的平面波，其電場的矢量位于光敏面上，且彼此平行。因此可用標(biāo)量，來代替矢量。于是，光探測器光敏面上總的光場為：〔3-24〕采用平方率探測器進(jìn)行光混頻后，探測器輸出的為光場的平方：〔3-25〕其中K為探測器的光電靈敏度，可見混頻后的光電信號包括直流分量，二倍本振光頻和二倍信號光頻以及本振光和信號光的和頻和差頻分量。其中的和頻項和倍頻項不能為光電探測器所接受，只有差頻處于光電探測器的通頻帶范圍內(nèi)才能響應(yīng)，那么光電探測系統(tǒng)將直流分量濾除后，相干后得到的輸出信號為：〔3-26〕〔3-27〕〔3-28〕根據(jù)布里淵頻移調(diào)節(jié)探測光的移頻頻率，那么外差拍頻即可控制在100MHz范圍內(nèi)。BOTDR系統(tǒng)中光外差探測中遇到的噪聲與直接探測系統(tǒng)中的噪聲根本相同，系統(tǒng)中存在許多可能的噪聲源。這里只考慮不可能克服或很難克服的散粒噪聲和熱噪聲兩種。均方散粒噪聲電流為：〔3-29〕均方熱噪聲電流為：〔3-30〕外差信號光電流的均方值為：〔3-31〕那么系統(tǒng)的信噪比為：〔3-32〕其中，為含有量子效率的比例因子，即光電靈敏度，，其中e為電子電荷，h為普朗克常量，v為光頻，b為接收機帶寬。一般最適宜相干探測的接收機帶寬取B?！?-23〕對于系統(tǒng)中所采用的PIN探測器，它受限于散粒噪聲，且本征光功率足夠大〔約為-5dBm，約為-70dBm〕本振散粒噪聲功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過所有其他的噪聲功率，那么上式的暗電流噪聲和熱噪聲都可忽略不計。〔3-24〕當(dāng)時，系統(tǒng)的最小可探測功率為：〔3-25〕這就是光外差探測系統(tǒng)所能到達(dá)的最大信噪比極限，一般稱為光外差探測的量子探測極限。與直接探測相比，光外差最小可探測功率比直接探測的最小可探測功率小得多。探測器的響應(yīng)度為，濾波器帶寬，那么系統(tǒng)的最小可探測光功率約為-97.5dBm。在實際系統(tǒng)中，當(dāng)信噪比為時信號極其微弱，根本無法探測到信號光。因此實際系統(tǒng)所說的最小可探測光功率都是在一定的信噪比要求下得到的。測量溫度/應(yīng)變所需要的信噪比由系統(tǒng)所要到達(dá)的測量精度決定。假設(shè)要應(yīng)變測量精度到達(dá)0.01%〔對應(yīng)的頻率精度約為5MHz〕，那么系統(tǒng)所需要的信噪比約為。那么系統(tǒng)的最小可探測光功率約為。在直接探測中，光探測器輸出的光電流正比于信號光的平均光功率，即光探測器輸出的電功率正比于信號光平均光功率的平方。在相干探測中，光混頻器輸出的中頻信號功率正比于信號光和本振光平均光功率的乘積。應(yīng)當(dāng)指出，在一般的實際情況下，入射到光探測器上的光功率是非常小的〔尤其是在遠(yuǎn)距離上的應(yīng)用，例如光雷達(dá)、光通信等應(yīng)用〕，因此在直接探測中光探測器輸出的電信號也是極其微弱的。在相干探測中，盡管信號光功率非常小，但只要本振光功率足夠大，仍能得到可觀的中頻輸出。這就使相干探測對微弱信號的探測特別有利。相干自外差探測相比于直接探測的優(yōu)勢：探測靈敏度高。當(dāng)信號光光功率極微弱時，在直接探測系統(tǒng)中那么極難測量，而在光外差探測技術(shù)中，只要本振光功率足夠大，仍能得到可觀的中頻輸出。比直接探測靈敏度大約可提高20dB左右。外差探測具有很高的信噪比。以上分析的是外差探測系統(tǒng)所能到達(dá)的最大信噪比，一般把這種情況稱為光外差探測的量子探測極限或量子噪聲極限。光外差探測可獲得有關(guān)光信號的全部信息，探測能力強。在直接探測中，只能測光信號的強度變化，不能響應(yīng)光頻和光學(xué)相位的變化。光外差探測技術(shù)可以探測振幅、相位和頻率。光外差探測具有良好的濾波性能，即具有良好的空間濾波能力和光譜濾波能力。為了形成外差信號，對對信號光和本振光要求較高的波前匹配條件，那些不能滿足波前匹配條件的在散光自動被濾除。而且在光外差探測系統(tǒng)中，只有落在中頻帶寬內(nèi)的雜散背景光才能進(jìn)入探測系統(tǒng)，且不會再原來定的相干項。只要信號光和本振光的頻率時穩(wěn)定的，檢測通道的通頻帶恰好覆蓋有用中頻信號的頻譜范圍，那么在此通頻帶外的雜散光即使形成拍頻信號也將濾掉。因此，外差探測系統(tǒng)即使不加窄帶濾波片，其效果也比加濾波片的直接探測好得多。BOTDR的性能分析1動態(tài)范圍動態(tài)范圍是BOTDR的主要性能參數(shù)指標(biāo)之一，它決定光纖的最大可測量范圍。動態(tài)范圍越大，獲得的曲線越好，可測量的光纖鏈路的距離也越長。動態(tài)范圍通常定義為始端的后向散射功率與噪聲的峰值功率間的dB差。BOTDR可測量的單端光纖損耗范圍〔動態(tài)范圍〕的方程可由普通的光時域反射儀〔OTDR〕相似推導(dǎo)得出：〔3-26〕其中，為光纖損耗〔dB〕，為脈沖光的輸入峰值功率〔dBm〕，為布里淵散射因子〔dB〕，為布里淵散射選擇比〔dB〕，為直接耦合損耗〔dB〕，為接收機的最小可探測光功率〔dBm〕，為平均后的信噪比改善〔dB〕，為溫度應(yīng)變測量所要求的信噪比，它由應(yīng)變溫度的測量精度所決定的。〔3-27〕對于，，，，，，不計溫度應(yīng)變測量所需要的信噪比，那么可得系統(tǒng)的動態(tài)范圍為18dB。特別的，當(dāng)系統(tǒng)要求應(yīng)變測量精度到達(dá)0.01%〔〕，那么由〔3-27〕可得到相應(yīng)的約為25dB，此時系統(tǒng)測量溫度應(yīng)變的動態(tài)范圍約為12dB。從上面的式子可以看出，系統(tǒng)的動態(tài)范圍理論上可以通過增大光纖輸入脈沖光功率和提高接收機靈敏度來進(jìn)一步提高。在相干EDFA增強的OTDR系統(tǒng)，泵浦脈沖峰值光功率的衰減時很明顯的，平均輸入泵浦脈沖峰值功率由于測試光纖中探測脈沖的四波混頻FWM和自相位調(diào)制SPM等非線性效應(yīng)的限制，被限制在20dBm。光纖中的四波混頻FWM和自相位調(diào)制SPM效應(yīng)可分別通過采用高色散光纖作為傳感光纖，同時采用相干性強、高功率、理想的矩形波探測脈沖來抑制，輸入探測脈沖功率可提高到大約28dBm。此時輸入的探測脈沖光功率將受到光纖中受激拉曼散射SRS和受激布里淵散射SBS的限制。而提高接收機的靈敏度通?？梢酝ㄟ^降低光電二極管可探測最小光功率。同時要使用探測后的信號處理方法來提高接收機的信噪比；另外還要對系統(tǒng)進(jìn)行抗干擾設(shè)計，通過抑制系統(tǒng)噪聲來提高系統(tǒng)的動態(tài)范圍。2空間分辨率分辨率是BOTDR系統(tǒng)的一項重要參數(shù)，它指的是儀器能分辨的兩相鄰時間點的最小距離。BOTDR技術(shù)是一種分布式的監(jiān)測技術(shù)，可以檢測出光纖上各點的軸向應(yīng)變，值得注意的是，這里所指的距離為Z處的一點，實際上是一段長度dZ的光纖。BOTDR技術(shù)測量的光纖中后向布里淵散射光功率是時間的函數(shù)，這與普通的OTDR技術(shù)相同。因此，如果系統(tǒng)接收機對脈寬為W的脈沖響應(yīng)速度足夠快，那么其空間分辨率由下式給出：〔3-28〕式中，W為入射脈沖光束寬度，V為光纖中的光速。因為僅當(dāng)時，段內(nèi)所有背向散射光在同一時刻t到達(dá)光纖始端，而處于外的背向散射光在不同t的