基于高频微波技术的分布式光纤传感器布里渊散射信号检测研究

摘要：本文对布里渊散射分布设的光纤传感技术进行了详细的介绍，同时利用相关检测技术对其散射信号进行了检测，这样就可以有效地改进滤波的放大技术。

关键词：高频微波技术;分布式光纤传感器;布里渊散射信号检测

中图分类号：TP212.14文献标识码：A

前言：现阶段在光纤传感领域内，高频微波技术在科学界是一种全新的传感技术，同时也是一种被全世界争相研究的热门技术。高频微波技术在应用过程中，能够具有较长的探测距离，同时还具备较强的抗辐射、抗电磁波干扰的优点。并且从物理角度上来看，其体积小质量轻，在工作环境中不会受高温和高压的影响，被广泛应用到各种建筑的建设当中。

1 研究重要性

在20世纪七十年代，光通信技术才开始发展起来，为此出现了光纤传感技术，这是一种全新的传感技术。不同于其他的传感技术，光纤传感技术在传感的方式以及机理上都有所不同，进行信号检测以及信号的处理方面不同于普通的电学类传感器。具体的表现是管线传感器在信号的处理上采用了光波的形式，利用光纤组作为传播的介质进行信号的传感检测，并且分布式光纤传感器在系统上有着明显的优势。例如从物理角度上来看，体积和质量都相对较小，同时其材质也较柔软，可以弯曲。并且在具体的使用中具有着极强的抗电磁干扰能力。同时还具备传输传感技术的能力，有着较长的传感距离，针对一些需要长距离传输的项目十分适用，由于其主要的特征，使其能够在传输汇总拥有众多传感参量，进而将温度等各种数据进行全面检测。这种具有众多优势的传感技术被广泛应用到社会的各个领域当中，例如在城市建设项目的桥梁建设中、对铁路运营的监控中，甚至是在航空领域的火箭发射以及推进的环节中都有着广泛的使用。

2 光纤传感技术的原理

光纤传感技术的使用，其原理是利用了入射管的传播特质，使其沿着光纤的纤芯进行传播。但是由于外界环境中的温度磁场等各种物理因素，会影响到其光纤的实际长度，使其光纤的折射率发生较为明显的变化，进而导致关闭的强度、频率等表征参量出现一定程度的波动。传感过程中利用对这种参量的检测，就可以有效地对待测的生物量和化学量完成物理量的传感。

3 布里渊散射信号检测的原理

了解布里渊散射的原理，是对其进行研究的关键。目前，我国以及国外大量学者都对这一问题展开了深入的探讨，且取得了显著的成果。有關领域普遍认为，布里渊散射的产生，与光纤材料密度存在显著联系。材料的密度值会在一定的周期内发生变化，而这一变化的产生，则是诱发散射的主要因素。除此之外，在光纤之中，抽运光与声子之间也会相互作用。在此过程中，可出现入射光子能，其频率一般为v，而传播速度则为光速。这一光子能，会产生相应光子，但所产生的光子传播方向与光子能相反，有关领域称此光子为“斯托克斯光子”。大量实验以及不断的验证结果表明，斯托克斯光子与入射光子之间存在一定的不同，主要体现在频率方面，两者该参数的频率差一般处于11GHz左右。

在充分掌握了布里渊散射分布式光纤的原理之后，可以有效地进行传感的测量。作为一种非线性的布里渊后向散射信号，能够充分实现传感的测量，一旦当光纤的入射情况可以达到具体的光纤光功率同布里渊散射阈值相同的时候，就可以有效地产生后向的布里渊散射信号。但是实际实验中实验者大量的经验积累和数据表明，应变和温度是影响布里渊散射情况的重要因素，为此一定光纤的传播途径中，温度发生一定程度的变化或者出现了轴向的应变时，就会使光纤中背向布里渊散射光发生重要的变化，例如其频率以及强度都会发生较为明显的变化，同时其频率的实际飘逸程度以及强度的变化量是与环境的温度和应变有着较为明显的线性关系，为此通过研究者不停地分析和试验，最终得出其双方呈现良好的线性关系。并且从传感光纤的布里渊散射管的实际频移以及强度的变动，可以获取光纤分布的实际温度以及应变变化的数值。^[1]

4 布里渊散射信号的温度应变特性

从实验人员对布里渊散射分布式光纤传感器的实际原理进行分析和讨论发现，实际就是在进行布里渊频移同散射光功率以及温度和应变之间寻找到具体的变化，但是需要对其光纤材料进行详细的对比和分析，从而得出温度应变与其光纤材料的关系。

对布里渊的频移研究汇总，光纤可以确定的是自身是有着弹光效应以及热光效应的，为此光纤折射率会受到光纤的温度以及实际的振动变化而有明显的浮动，并以此产生感应。但实际上温度和应变的对于布里渊的频移所产生的影响有限，且具有一定的独立性，为此需要采用控制变量的方式进行影响性的探讨。

而在布里渊功率同温度以及应变的关系讨论中，需要研究人员注意的是要重视起对布里渊散射管功率所产生的重要影响，为此通过进行温度和应力对其光纤折射率的实验发现来看，在薄片光线中的光纤双手折射也会受到环境温度的影响，而产生较为明显的变化。并且在相位匹配条件都相同对反射光强度能够达到最大值。

5 布里渊高精度光纤分布式传感系统参量

布里渊散射的研究发现，其高精度的光纤分布式传感器的实际系统参量包含着三个方面。

5.1 空间分辨率

光纤分布式传感器在系统中的空间分辨率，其实就是指进行传感过程中能够对最小的空间距离进行有效的辨别，并且有效地表示出待测量的最小空间分布情况。

5.2 探测灵敏度

上文已经探讨过了布里渊的增益现象能够满足其洛伦兹的分布情况，为此可以通过计算和公式得出温度和应变的最小探测量的表达公式。

5.3 动态范围

传感系统中的动态范围的具体定义已经有了明确的定义，本质上就是背向散射功率以及噪声功率之间的差值，为此在实际的检测过程中，就可以轻易地检测出其光纤损耗的最大范围值，并且可以确定出测量的范围，且动态范围表现的越好，其系统测量的距离就会更加明确和增大。这样的数据计算和推导能够准确掌握光纤的实际情况，帮助研究人员了解其光纤分布式传感系统的变化参量。

6 基于布里渊散射的分布式管线传感技术

在研究管线分布式传感系统的过程中，首先需要清楚对光纤材料影响最明显的因素就是温度和应变的变化，这两个因素会导致散射的特性在一定程度上发生变化，这样也会进一步使布里渊频移和其光功率有明显的改变。针对布里渊光纤的传感系统的特性，需要研究人员能够运用其光纤分布式传感的理论以及在具体的研究中，明确传感的参量数据，知晓其温度和应变能够对布里渊的散射造成什么程度的影响。同时在对布里渊散射的光纤分布式传感的研究上还需要重视对后向布里渊散射信号的探测，包含布里渊的光时域反射、光时域分析、光频域分析等技术的研究，为此在各种分布传感技术中，需要明确其时域内的后向反射传感技术，是可以利用单端检测的，以便能够进行远距离的传感，避免受到管线链路中断点的干扰。^[2]

总结：综上所述，在研究布里渊散射分布式光纤传感的过程中，需要明确其具体的原理，同时能够明确在每个环节的技术要点，重视布里渊散射信号的温度应变对于光纤材料的实际影响。

参考文献：

[1]陈福昌，胡佳成，张承涛.基于高频微波技术的分布式布里渊光纤温度传感器[J].中国激光，2012，39（06）：131-135.

[2]崔良端，朱忠翰，賈亮.高频微波印制板技术及发展前景[J].电子技术与软件工程，2017（15）：88.

作者简介：李楠（1973年11月8日），男，辽宁省沈阳市，汉，硕士研究生，中级工程师 辽宁邮电规划设计院大连办事处，通信设计技术。

Study on Brillouin Scattering Detection of Distributed Optical Fiber Sensor Based on High Frequency Microwave Technology

Li Nan

（Dalian office， Liaoning Post and Telecommunications Planning and Design Institute， Dalian 116001）

Abstract： In this paper， the optical fiber sensing technology of brillouin scattering distribution device is introduced in detail， and the scattering signal is detected by correlation detection technology， so that the filtering amplification technology can be effectively improved.

Key words： high frequency microwave technology; distributed optical fiber sensor; brillouin scattering detection