-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
光纤传感的基本原理是:光源入射的光束经由光纤进入光纤传感器件,在传感器内与外界物质相互作用,该光束成为被待测物理参数调制的光信号, 使强度、波长、频率、相位、偏振态等光参量发生变化,光信号再由光纤进入光电器件,经解调器的解调后可获得被测参数。整个过程中,光纤及其传感器件起到信号传输和外界物理量感知的作用,是光纤传感的关键组成部分。不同于远距离传输的通信光纤,为了更敏锐地“感知”外界各种信息,通常需要对光纤的波导结构进行特殊的设计,并将其加工成各种高精度的光纤传感器件。
分布式布里渊光纤传感技术可以实现温度和应变等参数在空间上的连续测量,监测距离可达百公里,监测点位可达百万个,在大范围、长距离和大容量传感方面具有传统点式传感器不可比拟的优势;经过多年的发展,分布式布里渊光纤传感在油气管道、高压输电线和桥梁等大型基础设施的健康监测,以及山体滑坡和路面沉降等地质灾害的监测预警等领域获得了广泛的应用,经过多年发展,基于后向受激布里渊散射的传统分布式光纤传感器性能得到了大幅提升,空间分辨率已经从米量级提升至厘米(时域)和毫米(相关域)量级,测量时间已经从分钟量级降低到毫秒甚至微秒量级,测量距离已经超过100km。此外,基于布里渊动态光栅和前向受激布里渊散射的新型分布式传感机制在近几年得到了极大关注。布里渊动态光栅传感可以实现更多参量(包括温度、应变、盐度、静压力和横向压力等)的测量;前向受激布里渊散射可以实现光纤外部环境物质鉴别。
工作原理
后向受激布里渊散射在光纤中激发纵向声波,将散射光和入射光之间的频率差定义为布里渊频移,该参数是光纤温度和应变的函数,石英单模光纤的温度和应变系数一般分别为1MHz/℃ 和 0.0482MHz/με,因此可以通过测量布里渊频移来测量温度和应变。布里渊动态光栅本质上是后向受激布里渊散射激发的纵向声波在弹光效应下产生的光栅,它可以测量保偏光纤双折射,进而实现对直接改变光纤双折射的温度、应变和压力等参数和可受光纤的特殊涂覆层(比如聚酰亚胺)影响的光纤双折射的盐度等参数的传感功能。前向受激布里渊散射在光纤中激发横向声波,这种声波以光纤包层为边界,在光纤横截面内往返振荡,其衰减时间(或对应的谱宽)对环境物质的声波阻抗敏感,因而可以用来对环境物质进行物化特性测量和种类鉴别。
技术发展
基于后向受激布里渊散射的传统分布式光纤传感器主要朝以下三个方面发展:
1)、高空间分辨率、超快测量和超长距离；
2)、布里渊动态光栅传感主要用于多参量测量；
3)、前向受激布里渊散射传感技术方兴未艾,探索分布式测量方案和提高传感性能是目前主要的研究方向；
需求现状
目前实际应用对分布式布里渊光纤传感技术的需求包括:
1)、铁路、电网和油气管道等大尺度基础设施监测需要长距离传感；
2)、光纤陀螺环和光纤水听器环检测需要高空间分辨率；
3)、火灾监测需要高空间分辨率温度测量以实现火灾早期预警；
4)、大型桥梁的实时在线监测需要快速测量和高应变灵敏度；
5)、山体滑坡、路面沉降等地质灾害监测需要配合特殊的应变光缆设计和布设方法；
6)、核辐射环境下需要配合抗辐射光纤进行分布式温度和应变测量;；
7)、环境综合监测需要更多的物理和化学量测量。
挑战性的问题与难点
目前分布式布里渊光纤传感技术在实际应用中面临的挑战性问题和难点包括:
1)、利用无中继放大实现150~200km 测量距离对于铁路、电网和油气管道监测具有重要意义；
2)、融合布里渊散射、拉曼散射和瑞利散射实现更高性能和更丰富功能传感以满足一些特殊场合应用；
3)、进行多参量测量的同时消除各参量之间的串扰；
4)、前向受激布里渊散射中的泵浦光和斯托克斯光同向传输,因此无法直接利用飞行时间进行定位,这为实现分布式传感带来了挑战；
5)、小型化、高可靠仪器是在多领域推广应用的重要前提。
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------