1、第章分布式光纖傳感器7.1時域分布式光纖傳感器的工作原理7.2分布式光纖傳感器傳感信號的解調方法7.3其他(準)分布式光纖傳感器光纖法珀傳感器7.4分布式光纖傳感器的應用7.1 時域分布式光纖傳感器的工作原理由于光纖傳感器具有傳統(tǒng)傳感器不可比擬的多種優(yōu)點， 故它自20世紀70年代問世以來， 得到了廣泛的關注與發(fā)展。 與傳統(tǒng)的傳感器相比， 光纖傳感器除了具有輕巧、 抗電磁干擾等特征之外， 還能作為傳感元件和傳輸介質， 具有容易顯示長距離、 分布式監(jiān)測的突出優(yōu)勢。 當光（電磁）波射入介質時， 若介質中存在的某些不均勻性（如電場、 相位、 粒子數密度n、 聲速v等）使光（電磁）波的傳播發(fā)生變化， 使

2、得有一部分能量偏離預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。 光的散射現象的表現形式是多種多樣的， 從不同的角度出發(fā)， 可有不同的分類， 但從光散射后的物理機制來看， 可以分為以下兩大類。 第一類是非純凈介質中的光散射， 該散射現象不是介質本身所固有的， 而是強烈地依賴于摻雜進來的散射中心的性質或介質本身的純凈度， 其規(guī)律主要表現為： 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系。 第二類是純凈介質中的散射， 即使所考慮的介質是由成分相同的純物質組成， 其中不含有外來摻雜的質點、 顆粒或結構缺陷等， 仍然有可能產生光的散射現象， 這些散射現象是介質本身

3、所固有的， 與介質本身的純凈度沒有本質上的關系。 屬于這類純凈介質的散射現象有如下幾種： （1） 瑞利散射。 設介質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的隨機性起伏， 從而形成入射光的散射。 這種散射現象的特點是： 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。 （2） 拉曼散射。 這種散射現象通常發(fā)生在由分子組成的純凈介質中， 組成介質的分子是由一定的原子或離子組成的， 它們在分子內部按一定的方式運動（振動或轉動）， 分子內部粒子間的這種相對運動將導致感生電偶極矩隨時間

4、的周期性調制， 從而可以產生對入射光的散射作用； 在單色光入射的情況下， 將使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制頻率， 亦即與散射分子的組成和內部相對運動規(guī)律有關。（3） 布里淵散射。 對于任何種類的純凈介質來說， 由于組成介質的質點群連續(xù)不斷地做熱運動， 因此在介質內始終存在著不同程度上的彈性力學振動或聲波場。 連續(xù)介質的這種宏觀彈性力學振動， 意味著介質密度（即折射率）隨時間和空間的周期性起伏， 因而可對入射光產生散射作用， 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的聲波特性有關。 由圖7-1可以看出， 在光纖后向散射譜分布圖中

5、， 激發(fā)線0兩側的頻譜是成對出現的。 在低頻一側頻率為0的散射光為斯托克斯光； 在高頻的一側頻率為0+的散射光為反斯托克斯光。 圖7-1 后向散射光分析反射法分布式光纖傳感技術最初提出于20世紀70年代末期， 迄今已經取得了相當大的發(fā)展， 并在以下三個方面獲得突破： (1) 基于瑞利散射的分布式傳感技術。 (2) 基于布里淵散射的分布式傳感技術。 (3) 基于拉曼散射的分布式傳感技術。 其中， 基于瑞利散射和拉曼散射的分布式傳感技術的研究已經趨于成熟， 并逐步走向實用化。 基于布里淵散射的分布式傳感技術的研究起步較晚， 但由于它在溫度、 應變測量上所達到的測量精度、 測量范圍以及空間分辨率均高

6、于其他傳感方式， 因此這種技術在目前吸引了大量的研究力量。 此外， 還有其他類型的準分布式傳感器波長掃描和干涉式， 因為其傳感器仍然以測點的形式存在而得名； 而光纖光柵、 干涉調制型的光纖F-P腔傳感器的復用技術也取得關鍵性的進展， 并已在工程中獲得應用。 分布式傳感技術除了具有光纖傳感器的所有獨特優(yōu)點外， 其最顯著的優(yōu)點是可以準確地測出光纖沿線任一點上的應力、 溫度、 振動和損傷等信息， 而無需構成回路。 如果將光纖縱橫交錯地敷設成網狀， 即構成具備一定規(guī)模的監(jiān)測網， 就可實現對監(jiān)測對象的全方位監(jiān)測， 從而克服傳統(tǒng)點式監(jiān)測漏檢的弊端， 提高監(jiān)測的成功率。 分布式光纖傳感器應敷設在結構易出現損

7、傷或者結構的應變變化對外部環(huán)境因素較敏感的部位， 以獲得良好的監(jiān)測效果。7.1.1 光纖中的后向散射理論光散射是光在介質中傳播過程時發(fā)生的一種普遍現象， 是光與物質相互作用的一種表現形式。 當光波在介質中傳播時， 大部分光波是前向傳播的， 有一小部分會偏離原來的傳播方向而發(fā)生散射。 概括地說， 產生光散射的原因在宏觀上可看做是介質的光學不均勻性或折射率的不均勻性所引起的； 從電磁輻射理論分析， 則歸結為由于介質在入射光波場作用下產生感應電極化， 使得感生振蕩電偶極子(或磁偶極子、 電四極子)成為散射光的電磁輻射源。 觀察到的散射光是大量散射源所產生的散射光的疊加。 對傳導光波的光纖而言， 其散

8、射主要是光纖中非結晶材料在微觀空間的顆粒狀結構和玻璃中存在的像氣泡這種不均勻結構所引起的。 在散射過程中， 散射光不僅在傳播方向上與泵浦光不同， 而且部分散射光的偏振態(tài)、 頻譜特征與泵浦光也不同， 光散射的特性與介質的成分、 結構、 均勻性及物態(tài)變化都有密切的關系。 從量子理論的觀點來看， 光散射是光子與傳輸介質中的粒子發(fā)生彈性或非彈性碰撞引起的， 在非彈性碰撞過程中發(fā)生能量的轉移。 根據量子理論， 介質中的分子或粒子從光線中所吸收的光子能量可由下式表示： (7.1-1)式中， E1為吸光物質的較高能級， E0為吸光物質的基態(tài)能級， h為普朗克(Plank)常數， 為光的頻率， 為光的波長，

9、c為真空中的光速。 光纖中的光散射主要包括由光纖中折射率分布不均引起的瑞利散射(Rayleigh Scattering)、 由光學聲子引起的拉曼散射(Raman Scattering)和由聲波或聲學聲子引起的布里淵散射(Brillouin Scattering)三種類型的光散射。 其中， 瑞利散射是由光與物質發(fā)生的彈性碰撞引起的， 散射光頻率不發(fā)生變化； 而拉曼散射和布里淵散射是光與物質發(fā)生的非彈性碰撞引起的， 其散射光頻率發(fā)生變化。 其中， 布里淵散射光與入射光的頻差為幾十吉赫茲， 拉曼散射光與入射光的頻差為幾十太赫茲。 它們的頻譜分布如圖7-2所示。 圖7-2 光纖中后向散射光的頻譜分析7

10、.1.2 OTDR技術瑞利散射型分布式光纖傳感技術和布里淵散射型分布式光纖傳感技術都基于光時域反射(OTDR)技術。 OTDR分布式測量技術于1975年首先由Barnoski提出。 將光脈沖注入到光纖中， 當光脈沖在光纖內傳輸時， 會由于光纖本身的性質、 連接器、 接頭、 彎曲或其他類似的事件而產生散射、 反射， 其中一部分的散射光和反射光將經過同樣的路徑延時返回到輸入端。 OTDR根據入射信號與其返回信號的時間差(或時延)， 利用下式就可計算出光纖長度d： 式中， c為光在真空中的速度， n為光纖纖芯的有效折射率。 利用OTDR可以方便地從一端對光纖進行非破壞性的測量， 并且可以連續(xù)顯示整個

11、光纖線路距離上的損耗及其變化。 (7.1-2)利用OTDR可以方便地從一端對光纖進行非破壞性的測量， 并且可以連續(xù)顯示整個光纖線路距離上的損耗及其變化。 其典型曲線前端和后端突起為端面的菲涅爾反射； 中間線性區(qū)為光脈沖沿具有均勻損耗的光纖段傳播時的后向瑞利曲線； 其后面的非線性區(qū)表示光纖由于接頭、 耦合不完善或光纖存在缺陷等引起的高損耗區(qū)。在=0時刻， 從光纖的一端發(fā)送能量為E的光脈沖， 該脈沖在傳播過程中與光纖介質相互作用將產生瑞利散射光。 因此從=0開始， 在光的發(fā)送端可以接收到一系列的反向散射脈沖回波， 通過測定這些脈沖回波與輸入光脈沖之間的時間間隔， 便可以確定光纖中相應的散射位置。

12、由于光纖中存在吸收損耗和散射損耗兩種主要的損耗， 光脈沖和散射脈沖回波在傳播時強度均會出現衰減， 因此其后向散射光功率為一衰減曲線。 7.1.3 瑞利散射型分布式光纖傳感技術瑞利散射是入射光與介質中的微觀粒子發(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）結構來實現被測量的空間定位。 瑞利散射的原理是沿光纖傳播的光在纖芯內各點都會有損耗， 一部分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、 吸收等原因產生的光纖傳輸損耗和各種結構缺陷引起的結構性損耗， 通過顯示損耗與光纖長度的關系來檢測外界信號場分布于光纖

13、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）原理來實現對空間分布的溫度的測量。 基于后向瑞利散射傳感系統(tǒng)框圖如圖7-3所示。 當窄帶光脈沖被注入到光纖中時， 該系統(tǒng)通過測量后向散射光強隨時間變化的關系來檢查光纖的連續(xù)性并測出其衰減。 圖7-3 基于后向瑞利散射傳感系統(tǒng)框圖入射光經后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= vt。 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處局域的后

14、向散射光。 采用OTDR技術， 可以確定光纖處的損耗及光纖故障點、 斷點的位置。 7.1.4 基于拉曼散射的分布式光纖傳感技術光在光纖中傳播時， 光纖中的光學光子和光學聲子產生非彈性碰撞， 產生拉曼散射過程。 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， 其中， 頻率為0的為斯托克斯光， 頻率為0+的為反斯托克斯光。 實驗發(fā)現在自發(fā)拉曼散射中， 反斯托克斯光（anti-Stokes）對溫度敏感， 其強度受溫度調制， 而斯托克斯（Stokes）基本上與溫度無關， 兩者光強度比只和溫度有關， 并可由下式表示： （7.1-3）式中： R(T)為待測溫度的函數， Ias為

15、反斯托克斯光強， Is為斯托克斯光強， as為反斯托克斯光頻率， s為斯托克斯光頻率， h為普朗克常量， k為波爾茲曼常量， T為絕對溫度。 基于自發(fā)拉曼散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)原理框圖如圖7-4所示。 拉曼散射分布式光纖傳感器的唯一不足之處是返回信號相當弱， 因為反斯托克斯散射光比瑞利散射光強要弱20 dB30 dB。 為了避免信號處理過程的平均時間過長， 脈沖激光源的峰值功率要相當高。 圖7-4 基于自發(fā)拉曼散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)原理框圖7.1.5 布里淵散射型分布式光纖傳感技術由于介質分子內部存在一定形式的振動， 引起介質折射率隨時間和空間周期性起伏， 從而產生自發(fā)聲波場。 光定向入射

16、到光纖介質時受到該聲波場的作用， 光纖中的光學聲子和光學光子發(fā)生非彈性碰撞， 則產生布里淵散射。 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。 散射光的布里淵頻移量的大小與光纖材料聲子的特性有直接關系。 當與散射光頻率相關的光纖材料特性受溫度和應變的影響時， 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分布式溫度應變測量。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生來表現， 布里淵散射可以看做是泵浦波和斯托克斯波、 聲波之間的參量相互作用的結果。 散射產生的布里淵頻移量與光線中的聲速成正比， 即（

17、7.1-4）式中， VA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力等因素有關， 這使布里淵頻移fB隨參數的變化而變化， 溫度和光纖應變都會造成布里淵頻率的線性移動， 可表示為（7.1-5）實驗發(fā)現， 布里淵功率也隨溫度和應變而變化： 布里淵功率隨溫度的上升而線性增加， 隨應變增加而線性下降。 因此布里淵功率也可表示為（7.1-6）其中： fB(0)和P0分別為T=0、 應變?yōu)?時的布里淵頻移和功率； f/T、f/分別為布里淵頻移對應的溫度系數和應變系數； P/T、 P/分別為布里淵光功率對應的溫度系數和應變系數。由于應變相對于溫度對布里淵散射光功率的影響要小

18、得多， 因此一般可以忽略， 可認為布里淵散射光功率只與溫度有關。 因此由式（7.1-5）和式（7.1-6）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、 應變等的分布信息。 目前， 對布里淵散射的分布式光纖傳感器的研究主要集中在以下三個方面： 1. 基于布里淵光時域反射（BOTDR）技術的分布式光纖傳感器基于BOTDR技術的光纖傳感技術是在傳統(tǒng)的光時域反射儀（OTDR）基礎上發(fā)展起來的。 在OTDR系統(tǒng)中， 光脈沖注入光纖系統(tǒng)的一端， 光纖中的后向瑞利散射光作為時間的函數， 同時帶有光纖沿線溫度/應變分布的信息： 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

19、射光的強度提供對光纖的衰減測量。 在BOTDR中， 后向的自發(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變的影響， 因此通過測量布里淵散射便可以得到溫度和應變信息， 基于BOTDR的傳感系統(tǒng)原理框圖如圖7-5所示。 圖7-5 基于BOTDR的傳感系統(tǒng)原理框圖布里淵散射極其微弱， 相對于瑞利散射來說要低大約23個數量級， 而且相對于拉曼散射來說， 布里淵頻移很小（對于一般光纖1550 nm時約為11 GHz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后向散射光中分離出來。 傳統(tǒng)的測量布里淵譜線

20、的方法是利用F-P干涉儀， 但由于干涉儀工作不穩(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確。 K De Souza首次利用Mach-Zehnder干涉儀實現了自發(fā)布里淵散射和瑞利散射光的分離， 再對布里淵散射信號的頻移和強度進行測量來得到分布的溫度和應變信息。 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， 將脈沖光和泵浦光的頻差調到布里淵頻移附近， 這樣脈沖光進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。 這種方法實現較為簡單， 但對光源的穩(wěn)定性要求較高。 1994年， 人們又在脈沖探測光光路中

21、引入了一個光移頻環(huán)路， 實現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100 m， 溫度/應變探測精度2/0.01%， 動態(tài)范圍16/12 dB； 其后， 他們又對該系統(tǒng)進行改進， 采用一個BOTDR與一個COTDR（相干OTDR）組成了一個新的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變分布， 還可利用COTDR測量光纖沿線的損耗分布。 2. 基于布里淵光時域分析（BOTDA）技術的分布式光纖傳感器 BOTDA技術最初是由Horiguchi等人提出來的， 基于該技術的光纖分布式傳感器典型結構如圖7-6所示。 圖7-6 基于BOTDA的光纖分布式傳感器典型結構處

22、于光纖兩端的可調諧激光器分別將一脈沖光與一連續(xù)光注入光纖， 當泵浦光和探測光的頻差與光纖中某區(qū)域的布里淵頻移fB相等時， 在該區(qū)域就會產生布里淵放大效應（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)生能量轉移。 在BOTDA中， 當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移， 這種傳感方式稱為布里淵損耗性。 BOTDA技術便利用這一原理， 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BOTDA的工作原理可知， 當滿足f1f=fB時， 脈沖光的能量轉移給

23、連續(xù)光， 得到布里淵增益信號， 即連續(xù)光能量增加； 當滿足f1f2=fB時， 脈沖光被放大， 連續(xù)光衰減， 得到布里淵衰減信號。 當光纖的某一部分發(fā)生應變時， 那里的布里淵頻移便由fB變?yōu)閒B（fB）， 結果引起這部分BOTDA信號的急劇衰減。 調諧使入射泵浦光和探測光之間的頻率差等于fB， 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、 應變存在線性關系， 因此在對兩激光器的頻率進行連續(xù)調節(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)域上能量轉移達到最大時所對應的頻率差， 從而得到溫度應變信息， 實現分布式測量。 相對而言， 對于布里淵損耗型， 由于脈沖

24、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， 但該技術不能測斷點。 3. 基于布里淵光頻域分析（BOFDA）技術的分布式光纖傳感器 BOFDA分布式光纖傳感技術是1997年德國的D.Garus等人提出的一種新型的分布式光纖傳感技術。 系統(tǒng)實驗框圖如圖7-7所示。 圖7-7 基于BOFDA的分布式光纖傳感系統(tǒng)原理框圖BOFDA同樣是利用布里淵頻移特性來實現溫度/應變的感應的， 但其被測量空間定位不再是傳統(tǒng)的廣時域反射技術， 而是通過得到光纖的復合基帶傳輸函數來實現的。 因此， 傳感光

25、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fSfP=fB。 探測光首先經過調制頻率fm可變的電光調制器進行幅度調制， 調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。 每個不同的調制信號頻率fm， 都對應著一個探測光功率和泵浦光功率。 調節(jié)fm， 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絡分析儀就可以確定傳感光纖的基帶傳輸函數。 利用快速傅里葉逆變換（IFFT）由基帶傳輸函數即可得到系統(tǒng)的實時沖激響應， 便能得到光纖沿線的溫度/應變等參數的分布信息。 在BOFDA系統(tǒng)中， 系統(tǒng)的空間分辨率由

26、調制信號的最大fm.max和最小fm.min調制頻率決定， 最大傳感距離由調制信號頻率變化的步長fm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5 、 應變分辨率0.01%和空間分辨率3 m的實驗結果。 7.1.6 多種分布式溫度傳感方法的比較采用不同的解調方式對三種不同類型的傳感器用于溫度測量的性能比較見表7-1。 傳統(tǒng)時域法的系統(tǒng)結構簡單， 但在信號處理時需要高速的采樣電路， 這給信號的檢測電路提出了更高的要求。 頻域法的信號處理復雜， 但對檢測電路的要求降低了， 故更有利于精確檢測信號的實現。7.1.7 FBG和BOT

27、DR性能比較1. 空間分辨率準分布式的FBG網絡仍然是以測點為基本單元工作的。 所測的應變位置明確， 即光纖光柵傳感器布置位置就是所測量的應變發(fā)生位置， 而在沒有光纖光柵布設處卻無法測量或需要多個光柵。 BOTDR理論上可以監(jiān)測光纖布設沿線所有點的應變和溫度場， 但是目前由于受到光源、 信號處理等因素的影響， 其空間分辨率并不是無窮小， 而是在相鄰可分辨點之間存在一定的間隔， 目前報道的最小分辨距離為5 cm。 2. 傳感器的價格與成本FBG價格昂貴、 成本高； 而BOTDR的敏感單元就是普通單模光纖， 價格非常便宜。 3. 布設方式BOTDR可以實現光纖布設范圍內的分布式監(jiān)測， 能對井下溫度

28、、 應力等參數實現永久性動態(tài)監(jiān)測， 這對油田開發(fā)特別有利。 而FBG測點相對獨立， 把握整體變化的規(guī)律比較困難。通過比較可以發(fā)現， BOTDR在油田開發(fā)領域有巨大的應用潛力。7.2 分布式光纖傳感器傳感信號的解調方法7.2.1 前言光纖布拉格光柵(FBG)以其在光纖激光器、 光通信和光纖傳感器領域的優(yōu)越性和巨大應用潛力成為近年來國內外光纖領域的研究熱點。 由于它有波長解碼、 易構成分布式結構、 抗電磁干擾強、 便于利用復用(波分、 時分、 空分)技術等諸多傳統(tǒng)傳感器無法比擬的優(yōu)點， 在民用工程、 航空航天、 船舶、 電力和石油等領域的安全監(jiān)測方面有著廣闊的應用前景。如何進行有效的信號解調， 是

29、光纖光柵傳感系統(tǒng)實用化推廣的關鍵技術。 但由于用FBG構成的傳感系統(tǒng)， 傳感量主要以波長的微小位移為載體， 需要精密的波長或波長變化檢測裝置對波長編碼信號進行解調， 從而造成系統(tǒng)成本高， 普通領域難以接受。 在經濟、 實用的前提條件下， 具備可連續(xù)、 無間斷、 長距離測量并與被測量介質有極強的親和性的分布式光纖傳感系統(tǒng)得到了廣泛的關注。 分布式FBG傳感系統(tǒng)是指在一根光纖中串接多個FBG傳感器， 當寬帶光源照射光纖時， 每一個FBG反射回一個不同布拉格波長的窄帶光波， 即通過單一通道實現對多個測試信號的采集。 這種技術的最大優(yōu)點在于減少了測試數據采集設備所需的通道數量， 從而降低了測試成本，

30、并能夠實現對待測物理量的分布(或準分布)場值的測量。 由于這種傳感系統(tǒng)檢測效率高， 并易于形成傳感網絡， 因此為其實際應用開辟了廣闊的前景。 7.2.2 FBG的解調原理FBG是利用石英光纖的紫外光敏特性， 用特殊工藝使得光纖纖芯的折射率發(fā)生永久性周期變化而形成的， 能對波長滿足布拉格反射條件的入射光產生反射的光纖波導器件。 這種光柵的基本光學特性就是以共振波長為中心的窄帶光學濾波器。 FBG傳感系統(tǒng)的解調原理是： 外界被測量的變化加在傳感頭FBG上， 根據光纖耦合模理論， 當一寬光譜光源注入光纖時， 將產生模式耦合， FBG光柵將反射回一個中心波長為布拉格波長的窄帶光波， 其FBG波長為B=

31、2neff（7.2-1）式中， neff為纖芯的有效折射率， 為光柵周期。 分布式FBG傳感系統(tǒng)的每一個FBG反射回一個不同布拉格波長的窄帶光波， 各個光譜互不重疊。 由于FBG對于應力和溫度都是敏感的， 它的中心波長B隨和neff的改變而改變。 應力影響B(tài)是由彈光效應和光纖光柵周期的變化引起的， 溫度影響B(tài)則是由熱光效應和熱膨脹效應引起的。 當FBG僅受應變=L/L=/作用時， 光纖光柵中心反射波長的變化為(7.2-2)式中， Pe=n2effp12(p11+p12)/2為有效彈光系數， 為纖芯材料的泊松比。7.2.3 分布式FBG傳感器波長檢測方法如何檢測出每個傳感FBG波長的微小偏移量，

32、 即對每個波長編碼的信號實現解調， 是實現分布式傳感器的關鍵技術。 為此， 國內外已經提出了多種檢測方案， 下面對FBG復用傳感系統(tǒng)的結構、 原理進行闡述分析， 比較它們的性能優(yōu)劣， 為其在實際領域的應用、 發(fā)展提供一定的理論指導。 1光譜儀檢測法對FBG傳感器的波長移位最直接的檢測方法就是用光譜儀檢測輸出光的B， 見圖7-8。 這種方法的優(yōu)點是： 設備結構簡單， 適合實驗室使用； 缺點是： 以色散棱鏡或衍射光柵為基礎的傳統(tǒng)光譜儀分辨率低， 無法滿足要求。 雖然高分辨率的光纖光譜分析儀可以滿足要求， 但是這類光譜儀的價格昂貴、 體積龐大， 由此構成的系統(tǒng)缺乏必要的緊湊性和牢固度。 更為重要的是

33、， 它不能直接輸出對應波長變化的電信號， 這對于測量結果的記錄、 存儲和顯示， 以及提供給控制回路必要的電信號以達到工業(yè)生產過程自動控制都是極為不利的。圖7-8 光譜儀解調系統(tǒng)2 匹配光柵法匹配光柵法就是用一個與傳感FBG相匹配的接收FBG去跟蹤傳感FBG的波長變化， 進行匹配濾波， 由兩個光柵相匹配時接收FBG的波長去推知傳感FBG的波長。 3 透射式匹配光柵解調法如圖7-9所示， 每個接收FBG通過各自的伺服系統(tǒng)與對應的傳感FBG鎖定在一起， 構成傳感/接收FBG對。 所有的接收FBG串接在一起, 布拉格波長由壓電陶瓷(PZT)的驅動電壓控制， 并且給每一個PZT的驅動電壓引入一個不同頻率

34、的交流調制信號， 這樣， 光電探測器的輸出就是一個包含不同頻率分量的交流信號。 當某一個傳感FBG的波長由于外界物理量的變化而發(fā)生改變時， 則包含該頻率成分的交流信號的幅值就會下降， 伺服系統(tǒng)就會改變相應PZT的驅動電壓， 使之重新達到匹配。 圖7-9 透射式匹配光柵解調系統(tǒng)原理圖4 反射匹配光柵解調法匹配光柵可以采用反射譜中的檢測， 但反射譜的檢測與投射譜的檢測相比光損耗大、 分辨率低。 反射匹配光柵解調方法原理簡單、 價格低廉， 能達到較高的測量分辨率， 靜態(tài)應變可達0.4 , 動態(tài)應變可達0.01 s /Hz的分辨率。 采用了這種方案的一種時分復用傳感系統(tǒng)如圖7-10所示， 寬帶光源調制

35、為脈沖信號， FBGS1和FBGR1、 FBGS2和FBGR2、 FBGS3和FBGR3、 FBGS4和FBGR4都是匹配光柵對。 寬帶脈沖信號耦合進傳感陣列， 各個光柵反射信號又經過各耦合器送到接收FBG。 接收FBG都平行固定在同一壓電體上， 當壓電體受線性或正弦掃描電壓驅動時， 接收光柵都發(fā)生周期應變， 其幅度足夠大就能保證每個周期里各光柵對匹配一次。 如果某個接收FBG與相應傳感FBG匹配， 則會發(fā)生強烈反射， 從而使相應探測器接收到較強光信號。 事先測定每個接收FBG的布拉格光柵波長與電壓的關系， 就可確定相應傳感FBG波長的偏移。圖7-10 采用匹配光柵對檢測的分布式傳感系統(tǒng)匹配光

36、柵法的優(yōu)點： 結構簡單， 而且對最終檢測的反射光強無絕對要求， 所以各類強度噪聲都不會對輸出結果造成影響。 這種方法的不足之處： 一是要求兩個光柵嚴格匹配； 二是受參考光柵應變量的限制， 傳感光柵的測量范圍不能很大； 三是PZT的響應速度有限， 只適用于測量靜態(tài)或低頻變化的物理量， 對于聲振動等頻率較高的物理量， 則能力有限。 5. 可調諧光纖法珀濾波器檢測法1） 可調諧法珀濾波解調圖7-11所示為接收端使用可調光纖法珀濾波器(FFPF)檢測的分布式傳感器的方案。 寬帶光源發(fā)出的光經過耦合器入射到傳感光柵陣列后， 被各FBG反射， 又經耦合器送到FFPF, FFPF工作在掃描狀態(tài)， 鋸齒波掃描

37、電壓加在其中的壓電元件上來調節(jié)腔間隔， 使其窄通帶在一定范圍內掃描， 當它掃過某個布拉格波長時， 相應傳感FBG反射的光信號就會通過， 經過光探測器后用一般的光譜儀就可觀察分析。 但是這樣做分辨率不高， 原因在于FFPF通帶與FBG卷積作用時觀察峰譜線展寬， 影響了可探測的最小可分辨的布拉格波長偏移。 為此， 可以給FFPF再加上一個抖動電壓， 讓探測器輸出到電混合器和低通濾波器裝置， 它們以抖動頻率探測輸出分量， 可得到與光譜分量對應的響應， 所得響應在每一個FBG的中心波長處都有零交點出現， 這樣就可以大大提高系統(tǒng)的分辨率。 可調諧光纖法珀濾波器的成本中等、 精度較高， 最適合在實用系統(tǒng)中

38、采用， 但其重復性不是很好。 圖7-11 可調諧法珀濾波解調系統(tǒng)2） 改進的可調諧法珀濾波解調解調系統(tǒng)通過耦合器引導FBG反射光進入可調諧窄帶光纖法珀濾波器， 通過電控壓電陶瓷改變?yōu)V波器中法珀的腔長來改變法珀濾波器的導通頻帶。 在信號發(fā)生器的調諧控制信號作用下， 光纖法珀濾波器的導通頻帶掃描整個光柵反射光光譜。 由于光纖法珀濾波器的導通頻帶很窄， 當光纖法珀濾波器的導通中心波長與某一FBG的布拉格波長相等時， 僅有一個FBG的反射光通過光纖法珀濾波器進入到光電探測器， 光電探測器將這一光柵的反射光變換成電信號， 這個信號的峰頂對應于從這一FBG反射回的波長， 如圖7-12所示。 通過這種解調方

39、式， 此解調系統(tǒng)能以幾百赫茲的頻率甚至幾千赫茲的頻率進行掃描， 在可調諧法珀濾波器的每個掃描周期中， 所有FBG傳感器的布拉格波長能得到快速測定。 圖7-12 改進的可調諧法珀濾波解調系統(tǒng)6 應用陣列波導光柵的分布式FBG的快速解調技術應用陣列波導光柵(AWG)的分布式光纖光柵傳感器波長解調的傳感系統(tǒng)， 如圖7-13所示。 寬帶光源發(fā)出的光經過耦合器、 單模光纖進入到FBG傳感陣列， FBG傳感陣列的反射波長信號又經過耦合器進入到陣列波導光柵AWG中， 而AWG本身的特性又將入射光分成不同波長的窄帶送到多個通道中， 將FBG的各個波長之間分散一些， 同時保證每一個FBG的中心波長Bi(1in)

40、隨著被測量的變化范圍都在相鄰的AWG的兩個通道的中心波長之間， 也就是說， Bi在am和am+1之間， 這樣就能夠避免解調時的相互干擾。 圖7-13 應用AWG的分布式光纖光柵傳感器解調系統(tǒng)同時每個窄帶光通道中出來的光信號也就對應著一個FBG傳感信號。 光電管(PD1PDN)的輸出則經過前置放大器進入到數據處理器或者是高速微計算機中， 通過計算機或處理器對前置放大器輸出信號的檢測就能確定相應光電管(PDi)電流的變化量。 正常情況下， 各個通道的中心波長對應各個FBG的中心波長， 一旦現場的溫度或應力發(fā)生變化， 那么相應FBG的反射中心波長就會發(fā)生漂移， 而這會使反射光在相應通道中透過的光強也

41、會發(fā)生變化(減弱)。當通道輸出的光強減弱時， 對應PDi的電流就會減小， 而這個微弱的變化量通過放大處理進入到數據處理器就可以被檢測到了。 這種方法的優(yōu)點是： 精度高(0.5 pm以上)； 可檢測FBG的數量大； 由于采用了陣列波導AWG技術， 使得解調的速度大大提高。7 非平衡馬赫-澤德爾干涉儀檢測法非平衡Mach-Zehnder(馬赫-澤德爾)干涉儀檢測的分布式傳感系統(tǒng)如圖7-14所示。 寬帶光源發(fā)出的光被調制成脈沖信號， 經過耦合器入射到光柵陣列上， 被反射后送到馬赫-澤德爾干涉儀， 通過非平衡馬赫-澤德爾干涉儀把布拉格波長偏移轉化為相位變化。 非平衡馬赫-澤德爾干涉儀的兩臂有光程差(O

42、PD=nd)， 當輸入光波長變化B時， 其輸出相位變化為()=2nd/2。 為保證各傳感FBG反射信號在輸出端時域上可分離， 光源脈沖寬度必須等于或小于光在任意兩個光柵之間的來回時間， 這樣用時間門控制馬赫-澤德爾的輸出就可按順序檢測每一個光柵。 馬赫-澤德爾干涉儀的一臂繞在壓電圓筒上， 在壓電圓筒上加一個鋸齒波電壓， 產生線性變化的相移， 通過帶通濾波器后信號的輸出形式為S(j)=Acos0t+(j)式中， j是第j個光柵的布拉格波長。 圖7-14 非平衡馬赫-澤德爾干涉儀檢測法7.3 其他(準)分布式光纖傳感器光纖法珀傳感器 光纖法珀傳感器(Optical Fiber Fabry-Pero

43、t Sensor， 光纖F-P或法珀傳感器)是目前歷史最長， 技術最為成熟， 應用最為普遍的一種光纖傳感器。 它在光纖內制造出兩個高反射膜層， 從而形成一個腔長為L的微腔(見圖7-15)。 當相干光束沿光纖入射到此微腔時， 光纖在微腔的兩端面反射后沿原路返回并相遇而產生干涉， 其干涉輸出信號與此微腔的長度相關。 當外界參量(力、 變形、 位移、 溫度、 電壓、 電流、 磁場等)以一定方式作用于此微腔， 使其腔長L發(fā)生變化， 導致其干涉輸出信號也發(fā)生相應變化。 根據此原理， 從干涉信號的變化得到微腔的長度L乃至外界參量的變化， 實現各種參量的傳感。 例如， 將光纖法珀腔直接固定在變形對象上， 則

44、對象的微小變形就直接傳遞給法珀腔， 導致輸出光的變化， 從而形成光纖法珀應變/應力/壓力/振動等傳感器； 將光纖法珀腔固定在熱膨脹系數線性度好的熱膨脹材料上， 使腔長隨熱膨脹材料的伸縮而變化， 則構成了光纖法珀溫度傳感器； 若將光纖法珀腔固定在磁致伸縮材料上， 則構成了光纖法珀磁場傳感器； 若將光纖法珀腔固定在電致伸縮材料上， 則構成了光纖法珀電壓傳感器。 圖7-15 光纖法珀傳感器基本結構示意圖在光纖法珀傳感器系統(tǒng)中， 光纖法珀腔是作為傳感器來獲取被測參量信息的。 為了實現不同的參量傳感， 光纖法珀腔可以有不同的結構形式， 而且不同的結構形式具有不同的特性。 目前， 光纖法珀腔主要有本征型、

45、 非本征型、 S線型復合腔三種典型結構。 而非本征型是性能最好、 應用最為廣泛的一種。 此外， 光纖法珀腔獲取的信號必須經過處理， 才可以得到預期的結果， 而這個信號處理就是光纖法珀傳感器的信號解調。 光纖法珀傳感器的解調方法主要有強度解調和相位解調兩大類， 而其中相位解調是難度較大， 但又比較能突出其優(yōu)點， 且研究空間較廣、 實施方案較多的一類解調方法， 也是目前實際應用最多的解調方法， 已有很多文獻對其進行報道。 多傳感器復用技術是光纖傳感器優(yōu)于其他傳感器的一個突出特點， 也是光纖傳感器的一個重要研究方向。 相對而言， 光纖法珀傳感器的復用較為困難。 本節(jié)也將討論光纖法珀傳感器的復用問題。

46、 從理論上講， 光纖傳感器有許多突出優(yōu)點， 但由于其成本較高， 且存在光纖纖細、 易脆等問題， 因此其實際應用一直不甚理想。 由于光纖法珀傳感器相對而言應用的成果較多， 因此本章從實際應用的成功范例出發(fā)， 討論了它的實際應用技術問題， 列舉了大量應用實例， 這對其他類型的光纖傳感器也具有一定借鑒意義。7.3.1 光纖法珀傳感器的分類及特點根據光纖法珀腔的結構形式， 光纖法珀傳感器主要可以分為本征型光纖法珀傳感器(Intrinsic Fabry-Perot Interferometer, IFPI)、 非本征型光纖法拍傳感器(Extrinsic Fabry-Perot Interferomete

47、r, EFPI)、 線型復合腔光纖法珀傳感器(In-Line Fabry-Perot, ILFP)三種。1本征型光纖法珀傳感器本征型光纖法珀傳感器是研究最早的一種光纖法珀傳感器。 它將光纖截為A、 B、 C三段， 并在長度為A、 C兩段的端面鍍上高反射膜， 然后將它們與B段光纖焊接在一起。 顯然， B段的長度L就是此光纖法珀腔的腔長L， 它除了像其他光纖一樣傳輸光束外， 還要作為傳感器的敏感元件感受外界作用， 因而它是本征型光纖法珀傳感器。 由于光纖法珀傳感器的腔長L一般為數十微米量級， 因此， 圖7-16中的B段長度L的加工難度可想而知。 圖7-16 本征型光纖法珀傳感器2非本征型光纖法珀傳

48、感器非本征型光纖法珀傳感器是目前應用最為廣泛的一種光纖法珀傳感器。 它由兩個端面鍍膜的單模光纖， 端面嚴格平行、 同軸， 密封在一個長度為D、 內徑為d(d2a, 2a為光纖外徑)的特種管道內而成(見圖7-17)。 它具有以下優(yōu)點： 圖7-17 非本征光纖法珀傳感器原理示意圖（1） 其法珀腔的裝配過程中， 可以利用特種微調機構調整光纖法珀腔的腔長L， 因此制造工藝較為方便、 靈活， 能夠精確控制腔長L。 （2） 由于它的導管長度D大于且不等于腔長L， 且D是傳感器的實際敏感長度， 這就使得制造者可以通過改變D的長度來控制傳感器的敏感性。 （3） 法珀腔是由空氣間隙組成的， 其折射率n0=1，

49、即n0基本不受外界影響， 可以近似認為是L的單參數函數。 （4） 當導管材料的熱膨脹系數與光纖相同時， 導管受熱伸長量與光纖受熱伸長量相同， 則可基本抵消材料熱脹冷縮導致的腔長L的變化， 故非本征型光纖法珀傳感器溫度特性遠優(yōu)于本征型光纖法珀傳感器， 其受溫度的影響可以忽略不計。如果傳感器在運輸、 安裝等過程中受到較大拉力， 則兩光纖間距(即法珀腔腔長L)將可能變得過長、 兩端面將可能不再平行， 導致光束不能在兩端面之間多次反射， 更不可能返回原光纖， 從而導致傳感器失效。 為此， 可以采用圖7-18的改進型結構， 通過設置過渡的緩沖間隙來解決這個問題。 圖7-18 改進型EFPI傳感器原理圖理

50、論分析中， 通常假設由單模光纖出射的光束為平行光， 因而其能夠在法珀腔內多次反射， 并完全返回單模光纖。 但實際光線由光纖出射時為發(fā)散光束， 且是在光纖外部傳輸， 因此只有部分光能返回入射光纖， 從而造成反射耦合的損失， 而這個損失f（L）與單模光纖的芯徑2a、 接收角c以及法珀腔的腔長有關。 與腔長相關的非本征型光纖法珀傳感器強度輸出曲線如圖7-19所示。 從圖7-19可以看出， 實際的非本征型光纖法珀傳感器的輸出強度會隨著腔長L的變化而衰減， 因而會對后續(xù)信號處理帶來一定的困難； 而本征型光纖法珀傳感器由于光束永遠在光纖內傳播， 則不存在這個問題。 圖7-19 非本征型光纖法珀傳感器強度輸

51、出曲線3線型復合腔光纖法珀傳感器線型復合腔光纖法珀傳感器原理示意如圖7-20所示， 它是將圖7-16中的B段光纖， 用與光纖外徑相同的導管代替而成， 因此它是本征型與非本征型的復合結構， 兼有兩者的部分特點。 但與本征型光纖法珀傳感器的加工工藝難題一樣， 要將微管的長度L加工到微米數量級的精度， 其難度同樣很大。 因此這種傳感器實際研究極少， 也幾乎沒有工程化方面的報道。 圖7-20 線型復合腔光纖法珀傳感器原理示意圖7.3.2 光纖法珀傳感器的復用光纖法珀傳感器的解調是在只有一個傳感器的條件下， 利用硬件及軟件技術， 從系統(tǒng)輸出光信號中解調出傳感器的腔長L， 然后根據腔長D與被測對象的關系，

52、 求出被測對象的參量值。 而光纖法珀傳感器的復用技術， 則是在同時存在兩只以上光纖法珀傳感器的條件下， 解調計算出復用的多只傳感器各自的腔長。 與其他類型光纖傳感器的復用技術相比， 光纖法珀傳感器的復用比較困難， 雖然有過多種方案探討， 但比較可行的主要有波分復用和空分復用兩種。1強度解調型光纖法珀傳感器的波分復用強度解調型光纖法珀傳感器， 通過傳感器輸出光強與腔長之間的對應關系實現解調， 其復用不能通過信號的強度信息， 而只能通過信號的波長特征進行復用解調， 因此強度型光纖法珀傳感器的復用方式是波分復用， 它是并聯復用， 其原理如圖7-21所示。 它與所示的標準強度解調系統(tǒng)的差異， 主要在于

53、將其中的單色光源變?yōu)閷拵Ч庠矗?將普通分束器改為了波分復用器， 并在各接收器D前邊加上了單色濾波器F。 圖7-21 波分復用解調原理示意圖2相位解調型光纖法珀傳感器的空分復用相位解調型光纖法珀傳感器利用其相位與腔長之間的關系， 解調出腔長， 因此直接利用相位信息進行解調的條紋計數解調法是無法進行復用的， 但利用相關原理(含軟件相關、 硬件相關)的各種相位解調方法都是通過相關運算， 將相位變換成了空間的腔長坐標L， 因此只要參與復用的光纖法珀傳感器的腔長在空間尺度上存在明顯的差異， 就可以用并聯式空分復用的方式實現復用， 其原理如圖7-22所示。圖7-22 相位解調的空分復用原理示意圖需要強調的

54、是， 各個傳感器法珀腔的腔長L必須互不相同， 且它們在測量范圍內的腔長變化L也互不重疊， 這樣才可以在相關計算的輸出結果中將不同法珀腔的腔長完全區(qū)分開(見圖7-22(b)。 當然， 由于相關峰的寬度較大， 因此光纖法珀傳感器的復用數量不是太多。 從理論上講， 串聯復用雖然也能適用于相位型光纖法珀傳感器的相關解調系統(tǒng)， 但實際上串聯后各傳感器存在一定的相互串擾， 因此還需要深入研究。作為一種具有代表性的光纖傳感器， 光纖法珀傳感器發(fā)展的歷史較長、 產品也較多。 但與其他類型的光纖傳感器類似， 它纖細、 脆弱， 如果沒有恰當的保護手段， 沒有掌握合適的使用方法， 實際應用時極易損壞， 使用存活率極低。 因此， 在實際工程應用中較少使用裸光纖法珀腔， 一般是根據實際應用對象的特點， 附加一定保護結構， 從而構成針對特殊對象的光纖法珀傳感器， 如應力/應變傳感器、 壓力傳感器、 溫度傳感器、 振動傳感器等。 目前光纖法珀傳感器最具有標志