分布式光纤传感器的应用

卜剑平 叶 雯 公安海警学院电子技术系

分布式光纤传感器的应用

卜剑平 叶 雯 公安海警学院电子技术系

文章对几种常用的分布式光纤传感器原理作了介绍, 并给出了传感器在应用领域的实际参数, 最后综述了分布式光纤传感器的发展前景。

分布式光纤传感器;布里渊散射;喇曼散射;布喇格反射

1.概况

分布式光纤传感器主要运用到光纤的一维特性,它比传统的传感器具有更多的优点。它不仅可以同时获得被测量的空间分布状态和随时间变化的信息，还可以在整个光纤长度上对沿光纤分布的环境参数进行连续测量。在理论上,它可以把被测量值转化为与光纤位置长度有关的函数,能得到任意大小的分辨力。不仅可以用一条光纤来取代传统的几百个点阵构成的传感器的阵列，也可由光纤和简单的控制器来代替由许多电缆和各级控制中心组成的复杂电气系统。

常用的分布式光纤传感器有光时域反射仪、布里渊分析仪、喇曼反射仪。

2.常用的分布式光纤传感器

2.1 基于光时域原理的分布式光纤传感器

⑴ OTDR(光时域反射仪)是表征光纤传输特性的测试仪器。此仪器主要用于测试整个光纤链路的衰减并提供与长度有关的衰减细节,具体表现为探测、定位和测量光纤链路上任何位置的事件(指因光纤链路中熔接、连接器、弯曲等形成的缺陷)。

OTDR 的基本原理：经过脉冲调制的激光器发射的脉冲光通过耦合器入射到光纤中, 光纤中的不同事件点对背向瑞利散射的功率产生了不同的影响。返回的瑞利散光射经过耦合器后被光电转换器转换为电信号。再经过放大和信号处理后, 将光纤线路上的事件状况显示出来。

⑵ COTDR(相干光时域反射仪)是根据普通的OTDR 改进的, 利用相干接收原理来检测背向散射信号的设备。由于相干检测技术能够实现近量子极限的探测，所以它能极大地增加系统探测的动态范围，常用于长距离通信系统的传感监测。另外,由于通常的OTDR 探测光波长在一个很大的范围内变化,很可能落在通信波长上,与通信波长争增益。因此不能用于监测。

COTDR 的基本原理：其工作原理与雷达类似, 用移频器将探测光频率变为f1+Δf后,然后经连接器注入光纤,由于光纤的不均匀性,光脉冲在光纤各点都要产生背向散射光,背向散射光将返回连接器接收端。再利用相干检测技术的光频选择性提取微弱的背向散射光信号。COTDR通过检测背向散射光可以掌握光缆工作状态，完成OTDR不能完成的长距离多跨段光纤检测。

2.2 基于布里渊散射原理的分布式光纤传感器

（1) BOTDA (布里渊光纤时域分析仪）是最简单的一种形式，其空间分辨率、测量精度等不如其他更为复杂的布里渊传感技术，但是拥有更简单的系统结构和单端测量的优势，且其性能指标已经可以满足许多应用的要求。由于布里渊光时域反射技术测量的是自发布里渊散射，其信号微弱，信噪比较低。并且其各项性能指标之间相互制约，难以得到同时提高，例如空间分辨率和频移精度之间存在的权衡问题。

(2)BOFDA(布里渊光纤频域分析仪)不同于 BOTDA 定位方法，BOFDA 是基于测量光纤的传输函数实现对测量点定位的一种传感方法。这个传输函数把探测光和经过光纤传输的泵浦光的复振幅与光纤的几何长度关联起来，通过计算光纤的冲击响应函数确定沿光纤的应变和温度信息。

(3)BOTDR(布里渊光时域反射仪)与在光纤测量中广泛应用的 OTDR 技术相似。在BOTDR 中测量的是布里渊散射信号,与布里渊散射光频率相关的光纤材料特性主要受温度和应变的影响，因此,通过测定脉冲光的后向布里渊散射光的频移就可实现分布式温度、应变测量。

2.3 基于喇曼散射原理的分布式光纤传感器

（1）ROTDR (喇曼光时域反射仪)当激光注入到光纤中后,会同时产生瑞利散射、布里渊散射和喇曼散射效应。其中因为喇曼散射的光谱频率离其它两种散射的光谱频率有较大差别，同时又由于反斯托克斯散射光强对温度很敏感且与温度成线性关系,所以人们利用喇曼散射发明了ROTDR(喇曼光时域反射仪)用来传感温度。由于光纤弯曲、接续等原因会引起反斯托克斯光的衰减,从而影响对光纤中实际温度的判断,所以一般通过反斯托克斯光和斯托克斯光的比值来确定光纤中的温度,以消除由上述原因及激光器功率不稳定引起的误差。

（2）ROFDR( 喇曼光频域反射仪)是利用喇曼散射光来传感温度信息的传感器。光频域反射仪OFDR是1990年代逐步发展起来的一种高分辨率的光纤测量技术。不同于光时域反射仪OTDR向系统内发射的是时域的脉冲信号，OFDR发射入系统的是利用窄带激光器和声光调制器产生的扫频光信号，再通过光外差检测技术，通过专门的算法来分析检测到的信号。喇曼光频域反射（ROFDR）技术是在OFDR基础上提出的。被等距调制的基频为f0的激光进入测试光纤，被等距调制的基频为f0的激光进入测试光纤，输入光功率为，，其中，是平均值，是振幅，是初始相位，t是时间。

3.分布式光纤传感器的应用领域

分布式光纤传感器的应用范围很广，几乎涉及国民经济和国防上所有重要领域和人们的日常生活，尤其可以应用在恶劣环境中，进一步解决了许多行业的技术难题，具有很大的市场需求。主要表现在以下几个方面。

（1）建筑工程。在建筑工程中，可以利用光纤传感器实时监测桥梁、大坝、重要建筑物等的温度、应力、压力、振动、倾角等物理量，以评估其短期及长期的结构安全性能。连续分布式光纤传感器则可以将任何一项大型建筑工程与互联网连接起来，通过温度和应力的检测，24小时监测工程的“健康状况”。

（2）医学及生物传感器。在临床医学上，由于光纤传感器柔软、小巧、自由度大、绝缘、不受射频和微波干扰、测量精度高，常用于对人体血管等的探测，人体外科校正和超声波场测量等。光纤内窥镜使得检查人体的各个部位几乎都是可行的，且操作中不会引起病人的痛苦与不适，其中光纤血管镜已应用于人类的心导管检查中。

（3）军事安防。分布式光纤传感器可用于水声探潜（光纤水听器）、光纤测导、姿态控制（光纤陀螺）、航天航空器的结构损伤探测（智能蒙皮）以及战场环境的探测等方面。在航空航天领域中，利用光纤陀螺测量导弹运动过程中的俯仰角、偏航角和横滚角，以引导导弹准确命中目标。

[1]张志鹏,Gambling W A.著.光纤传感器原理,北京.•中国计童出版社，1991.

[2]李文植.光纤传感器的发展及其应用综述[J]. 科技创业月刊，2005（7）:153-154.

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