【導讀】在工程上應用的分布式光纖傳感技術(shù)根據傳感光類(lèi)型不同可分為散射光傳感和前向光傳感兩類(lèi)。其中，散射光又分為瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射三類(lèi)。
在工程上應用的分布式光纖傳感技術(shù)根據傳感光類(lèi)型不同可分為散射光傳感和前向光傳感兩類(lèi)。其中，散射光又分為瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射三類(lèi)。
基于不同光學(xué)效應的傳感技術(shù)可以檢測不同的物理參量?；谌鹄⑸涞墓饫w傳感技術(shù)工程上主要用于檢測振動(dòng)與聲音信號，基于拉曼散射的光纖傳感技術(shù)工程上主要用于溫度的測量，而基于布里淵散射的光纖傳感技術(shù)工程上主要用于應變與溫度的雙參數測量，基于前向光干涉的光纖傳感技術(shù)工程上主要用于振動(dòng)與聲音的檢測。
前向光干涉的分布式光纖傳感技術(shù)
基本干涉型結構的分布式光纖傳感在工程上主要使用主馬赫-澤德?tīng)?、邁克爾遜、薩格奈克干涉三種類(lèi)型，其光路結構如圖1所示，均是擾動(dòng)改變了相位，進(jìn)而通過(guò)干涉光強變化來(lái)檢測振動(dòng)。馬赫-澤德?tīng)柺褂脙蓚€(gè)耦合器，邁克爾遜、薩格奈克干涉使用一個(gè)耦合器，不同的是邁克爾遜干涉需要兩個(gè)旋轉鏡。上述結構的光纖傳感在工程上應用需鋪設兩根光纖。
圖1 基本干涉法的光路結構
如圖2是一種直線(xiàn)型薩格奈克方案。其特點(diǎn)在于僅需一根傳感光纖即可實(shí)現對信號的拾取，實(shí)用性強。兩束干涉光光程差相同，對光源線(xiàn)寬要求低，成本低，檢測靈敏度高，信號還原性能好。然而其依然存在振動(dòng)定位難、無(wú)法多點(diǎn)定位等問(wèn)題，導致在需要精確定位及多點(diǎn)振動(dòng)監測領(lǐng)域應用受限。
圖2 直線(xiàn)型薩格奈克系統結構
散射光干涉的分布式光纖傳感技術(shù)
1.R-OTDR（Raman Optical TIme-Domain Reflectometry ）拉曼光時(shí)域反射分布式光纖傳感技術(shù)
分布式拉曼溫度傳感系統的結構如圖3所示。入射脈沖光產(chǎn)生后向拉曼散射光，其光強隨光纖溫度的變化而變化，對探測到的后向拉曼散射光進(jìn)行解調，光電探測器完成光電轉化，轉化后的微弱電信號經(jīng)信號放大電路放大，由數據采集卡采集并傳輸給計算機，通過(guò)數據處理便可獲得光纖沿線(xiàn)的溫度。工程上應用于矸石山火險預警、電纜溫度檢測、帶式輸送機火險預警以及隧道火險預警等場(chǎng)景。
圖3 分布式拉曼溫度傳感系統結構
R-OTDR的進(jìn)一步發(fā)展仍面臨很多挑戰，如在單模光纖的應用中信噪比不高導致的測量精度低的問(wèn)題，進(jìn)一步提升傳感距離、空間分辨率、測溫精度及響應速度等問(wèn)題。
2.φ-OTDR（Phase SensiTIve OpTIcal TIme-Domain Reflectometry）相位敏感光時(shí)域反射分布式光纖傳感技術(shù)
φ-OTDR在工程上主要有直接探測與相干探測兩種方案。其中，直接探測結構更為簡(jiǎn)單，信號處理簡(jiǎn)單，但準確還原波形較為困難。相干探測的信號靈敏度更高，擁有更高的空間分辨率和信噪比，頻帶響應范圍更寬，能準確還原信號。工程上主要應用在燃氣管線(xiàn)、周界安防、軌道交通、電纜舞動(dòng)、地震波探測、局部放電等檢測場(chǎng)合。
直接探測型通過(guò)差分擾動(dòng)前后的散射曲線(xiàn)來(lái)進(jìn)行振動(dòng)定位，其效果受振動(dòng)頻率、差分點(diǎn)數和脈沖重復頻率的影響。直接探測型φ-OTDR的系統結構如圖4所示，其原理為通過(guò)對后向散射曲線(xiàn)采集與處理，檢測振動(dòng)信號對光相位和強度的影響，實(shí)現對振動(dòng)信號的定位、還原。
圖4 直接探測型φ-OTDR系統結構
相干探測型φ-OTDR系統結構如圖5所示，與直接探測型的區別在于，引入本征光提升散射光信號功率，增強系統信噪比。光電探測器輸出的信號經(jīng)IQ解調可獲得正交信號，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的處理便可解調出振動(dòng)信號的幅值與相位。
圖5 相干探測型φ-OTDR系統結構
當前φ-OTDR分布式光纖振動(dòng)傳感技術(shù)發(fā)展面臨的挑戰主要有：信號衰落的抑制與實(shí)時(shí)振動(dòng)波形還原、傳感距離與空間分辨率提升、振動(dòng)方向識別與振動(dòng)類(lèi)型智能模式識別。
3.B-OTDR（Brillouin Optical Time-Domain Reflectometry）布里淵光時(shí)域反射分布式光纖傳感技術(shù)
BOTDR是在OTDR基礎上結合光纖中的自發(fā)布里淵散射效應完成溫度/應變測量的分布式光纖傳感技術(shù)。當光纖受到拉伸或壓縮時(shí)，應力變化會(huì )導致后向布里淵散射光產(chǎn)生頻率漂移，通過(guò)解調漂移量可實(shí)現應變測量；光纖的溫度變化同樣會(huì )導致布里淵散射光發(fā)生頻率漂移，根據頻移量可解調出溫度信息。
BOTDR是基于布里淵效應的單端抽運光時(shí)域反射技術(shù)，具有很大的優(yōu)勢，結構簡(jiǎn)單，只需在一端輸入激光，在工程中應用前景廣泛?；贐OTDR的分布式光纖傳感系統結構如圖6所示。在光路進(jìn)行相干探測，在電路進(jìn)行頻率掃描，最后進(jìn)行數據處理后可得到光纖沿程的布里淵頻移量，即可解調出應變與溫度信息。這種方法可用于建筑變形監測、地質(zhì)沉降監測、橋梁變形監測、隧道變形監測等。
圖6 BOTDR系統結構
在工程上如何實(shí)現實(shí)時(shí)布里淵頻移解調、長(cháng)距離高空間分辨率高精度檢測、解決溫度與應變交叉敏感等問(wèn)題是BOTDR進(jìn)一步應用所面臨的一系列挑戰。
綜述所述，基于前向光干涉與散射光原理的分布式光纖傳感技術(shù)在工程上均獲得了應用，隨著(zhù)成本的進(jìn)一步降低、指標參數的進(jìn)一步提升、可靠性的進(jìn)一步提高，同時(shí)具有長(cháng)距離、抗電磁干擾、多參數測量等優(yōu)勢，分布式光纖傳感技術(shù)在工程上的應用必將越來(lái)越廣泛。
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