分布式光纤传感技术与工程应用研究(5)
由于分布式光纤传感器具有其他传感技术所无法比拟的优点，因此成为目前传感技术研究领域的热点。从上世纪七十年代末提出到现在短短的二十多年时间里，分布式光纤传感技术得到了很快的发展。基于分布式的光纤传感器首先要解决对携带信息的光信号的识别和起源位置的确定。在早期就有人提出可以采用某种方式（比如，用具有不同热光系数的材料来制作光纤的芯和包层，用随温度而变化的吸收带等方法来测量温度）来调制集光系数和不同于散射损耗的其它损耗机制来实现分布测量，但是它们都有着只能传感有限长度（或点数）的缺点（由于引入了大的损耗），仅适用于很短距离（几米～几十米）的分布系统。对于较长距离的分布测量应用，基于散射机理的分布传感系统却显示出无比的优越性。这是因为这时光纤中所损失的功率直接用于所感应的信号能量。目前对基于散射机理的分布式光纤传感器的研究主要集中在以下三个方面[67]：
1) 基于瑞利散射的分布式光纤传感技术
2) 基于拉曼散射的分布式光纤传感技术
3) 基于布里渊散射的分布式光纤传感技术
其中基于瑞利散射和拉曼散射的分布式光纤传感技术的研究已经趋于成熟，并逐步走向实用化。基于布里渊散射的分布传感技术的研究起步较晚，但由于它在温度、应变测量上所达到的测量精度、测量范围以及空间分辨率均高于其他传感技术，因此这种技术在目前得到广泛关注与研究。
2.3基于瑞利散射的分布式光纤传感技术
瑞利散射是入射光与介质中的微观粒子发生弹性碰撞所引起的，散射光的频率与入射光的频率相同。在利用后向瑞利散射的光纤传感技术中，一般采用光时域反射（OTDR）结构来实现被测量的空间定位。沿光纤传播的光在纤芯内各点都会有损耗，一部分光沿着与光纤传播方向成180°的方向散射（后向散射光），返回光源，这就是瑞利散射原理。利用分析光纤中后向散射光的方法测量因散射、吸收等原因产生的光纤传输损耗和各种结构缺陷引起的结构性损耗，通过显示损耗与光纤长度的关系来检测外界信号场分布于传感光纤上的扰动信息。由于瑞利散射属本征损耗，因此可以作为应变场检测参量的信息载体，提供沿光路全程的单值连续检测信号。典型传感器的结构如下图2.4所示[68]。
1980年罗杰斯首次提出了利用OTDR原理来实现对空间分布的温度的测量。当窄带光脉冲被注入到光纤中去时，该系统通过测后向散射光强随时间变化的关系来检查光纤的连续性并测出其衰减。入射光经背向散射返回到光纤入射端所需的时间为ｔ，激光脉冲在光纤中所走过的路程为2L=υt。υ为光在光纤中传播的速度，υ=cn，c为真空中的光速，ｎ为光纤的折射率。在ｔ时刻测量到的是离光纤入射端距离为L处局域的背向瑞利散射光。用OTDR技术，可以确定光纤处的损耗，光纤故障点、断点的位置，因此也可称为光纤光雷达[69]。
图2.4基于后向瑞利散射传感系统框图
基于后向瑞利散射的传感技术是现代分布式光纤传感技术的基础，它在80年代初期得到了广泛的发展，然而由于该技术测量精度低、传感距离短，目前关于这方面的研究报道也越来越少。
2.4基于拉曼散射的分布式光纤传感器
当光在光纤中传播时，光纤中的光学光子和光学声子产生非弹性碰撞，产生拉曼散射过程。在光谱图上，可以看到拉曼散射频谱具有两条谱线，分别分布在入射光谱线的两侧。其中频率为νo-Δv的为斯托克斯光，频率为νo+Δv的为反斯托克斯光。实验发现在自发拉曼散射中，反斯托克斯光（anti-Stokes）对温度敏感，其强度受温度调制，而斯托克斯光（Stokes）基本上与温度无关，两者光强度的比值只和温度有关，并可由下式表示