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1、第7章分布式光纤传感器1 1第章分布式光纤传感器7.1时域分布式光纤传感器的工作原理时域分布式光纤传感器的工作原理7.2分布式光纤传感器传感信号的解调方法分布式光纤传感器传感信号的解调方法7.3其他其他(准准)分布式光纤传感器分布式光纤传感器光纤法珀传感器光纤法珀传感器7.4分布式光纤传感器的应用分布式光纤传感器的应用第7章分布式光纤传感器2 27.1 时域分布式光纤传感器的工作原理时域分布式光纤传感器的工作原理由于光纤传感器具有传统传感器不可比拟的多种优点， 故它自20世纪70年代问世以来， 得到了广泛的关注与发展。 与传统的传感器相比， 光纤传感器除了具有轻巧、 抗电磁干扰等特征之外， 还
2、能作为传感元件和传输介质， 具有容易显示长距离、 分布式监测的突出优势。 第7章分布式光纤传感器3 3当光（电磁）波射入介质时， 若介质中存在的某些不均匀性（如电场、 相位、 粒子数密度n、 声速v等）使光（电磁）波的传播发生变化， 使得有一部分能量偏离预定的传播方向而向空间中其他任意方向弥散开来， 这就是光散射。 光的散射现象的表现形式是多种多样的， 从不同的角度出发， 可有不同的分类， 但从光散射后的物理机制来看， 可以分为以下两大类。 第7章分布式光纤传感器4 4第一类是非纯净介质中的光散射， 该散射现象不是介质本身所固有的， 而是强烈地依赖于掺杂进来的散射中心的性质或介质本身的纯净度，
3、 其规律主要表现为： 散射光的频率与入射光的频率相同， 散射光的强度与入射波长成一定关系。 第二类是纯净介质中的散射， 即使所考虑的介质是由成分相同的纯物质组成， 其中不含有外来掺杂的质点、 颗粒或结构缺陷等， 仍然有可能产生光的散射现象， 这些散射现象是介质本身所固有的， 与介质本身的纯净度没有本质上的关系。 属于这类纯净介质的散射现象有如下几种： 第7章分布式光纤传感器5 5（1） 瑞利散射。 设介质由相同的原子或分子组成， 由于这些原子或分子空间分布的随机性的统计起伏（密度起伏）， 造成与电极化特性相应的随机性起伏， 从而形成入射光的散射。 这种散射现象的特点是： 频率与入射光频率相同，
4、 在散射前后原子或分子内能不发生变化， 散射光强度与入射光波长的四次方成反比。 第7章分布式光纤传感器6 6（2） 拉曼散射。 这种散射现象通常发生在由分子组成的纯净介质中， 组成介质的分子是由一定的原子或离子组成的， 它们在分子内部按一定的方式运动（振动或转动）， 分子内部粒子间的这种相对运动将导致感生电偶极矩随时间的周期性调制， 从而可以产生对入射光的散射作用； 在单色光入射的情况下， 将使散射光的频率相对于入射光发生一定的移动， 频移量正好等于上述调制频率， 亦即与散射分子的组成和内部相对运动规律有关。第7章分布式光纤传感器7 7（3） 布里渊散射。 对于任何种类的纯净介质来说， 由于组
5、成介质的质点群连续不断地做热运动， 因此在介质内始终存在着不同程度上的弹性力学振动或声波场。 连续介质的这种宏观弹性力学振动， 意味着介质密度（即折射率）随时间和空间的周期性起伏， 因而可对入射光产生散射作用， 这种作用类似于超声波对光的衍射作用， 并且散射光的频移大小与散射角及介质的声波特性有关。 第7章分布式光纤传感器8 8由图7-1可以看出， 在光纤后向散射谱分布图中， 激发线0两侧的频谱是成对出现的。 在低频一侧频率为0的散射光为斯托克斯光； 在高频的一侧频率为0+的散射光为反斯托克斯光。 第7章分布式光纤传感器9 9图7-1 后向散射光分析第7章分布式光纤传感器10 10反射法分布式
6、光纤传感技术最初提出于20世纪70年代末期， 迄今已经取得了相当大的发展， 并在以下三个方面获得突破： (1) 基于瑞利散射的分布式传感技术。 (2) 基于布里渊散射的分布式传感技术。 (3) 基于拉曼散射的分布式传感技术。 第7章分布式光纤传感器11 11其中， 基于瑞利散射和拉曼散射的分布式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式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方式， 因此这种技术在目前吸引了大量的研究力量。 此外， 还有其他类型的准分布式传感器波长扫描和干涉式， 因为其传感器仍然
7、以测点的形式存在而得名； 而光纤光栅、 干涉调制型的光纤F-P腔传感器的复用技术也取得关键性的进展， 并已在工程中获得应用。 第7章分布式光纤传感器12 12分布式传感技术除了具有光纤传感器的所有独特优点外， 其最显著的优点是可以准确地测出光纤沿线任一点上的应力、 温度、 振动和损伤等信息， 而无需构成回路。 如果将光纤纵横交错地敷设成网状， 即构成具备一定规模的监测网， 就可实现对监测对象的全方位监测， 从而克服传统点式监测漏检的弊端， 提高监测的成功率。 分布式光纤传感器应敷设在结构易出现损伤或者结构的应变变化对外部环境因素较敏感的部位， 以获得良好的监测效果。第7章分布式光纤传感器13
8、137.1.1 光纤中的后向散射理论光纤中的后向散射理论光散射是光在介质中传播过程时发生的一种普遍现象， 是光与物质相互作用的一种表现形式。 当光波在介质中传播时， 大部分光波是前向传播的， 有一小部分会偏离原来的传播方向而发生散射。 概括地说， 产生光散射的原因在宏观上可看做是介质的光学不均匀性或折射率的不均匀性所引起的； 从电磁辐射理论分析， 则归结为由于介质在入射光波场作用下产生感应电极化， 使得感生振荡电偶极子(或磁偶极子、 电四极子)成为散射光的电磁辐射源。 第7章分布式光纤传感器14 14观察到的散射光是大量散射源所产生的散射光的叠加。 对传导光波的光纤而言， 其散射主要是光纤中非
9、结晶材料在微观空间的颗粒状结构和玻璃中存在的像气泡这种不均匀结构所引起的。 在散射过程中， 散射光不仅在传播方向上与泵浦光不同， 而且部分散射光的偏振态、 频谱特征与泵浦光也不同， 光散射的特性与介质的成分、 结构、 均匀性及物态变化都有密切的关系。 第7章分布式光纤传感器15 15从量子理论的观点来看， 光散射是光子与传输介质中的粒子发生弹性或非弹性碰撞引起的， 在非弹性碰撞过程中发生能量的转移。 根据量子理论， 介质中的分子或粒子从光线中所吸收的光子能量可由下式表示： (7.1-1)式中， E1为吸光物质的较高能级， E0为吸光物质的基态能级， h为普朗克(Plank)常数， 为光的频率，
10、 为光的波长， c为真空中的光速。 第7章分布式光纤传感器16 16光纤中的光散射主要包括由光纤中折射率分布不均引起的瑞利散射(Rayleigh Scattering)、 由光学声子引起的拉曼散射(Raman Scattering)和由声波或声学声子引起的布里渊散射(Brillouin Scattering)三种类型的光散射。 其中， 瑞利散射是由光与物质发生的弹性碰撞引起的， 散射光频率不发生变化； 而拉曼散射和布里渊散射是光与物质发生的非弹性碰撞引起的， 其散射光频率发生变化。 其中， 布里渊散射光与入射光的频差为几十吉赫兹， 拉曼散射光与入射光的频差为几十太赫兹。 它们的频谱分布如图7-
11、2所示。 第7章分布式光纤传感器17 17图7-2 光纤中后向散射光的频谱分析第7章分布式光纤传感器18 187.1.2 OTDR技术技术瑞利散射型分布式光纤传感技术和布里渊散射型分布式光纤传感技术都基于光时域反射(OTDR)技术。 OTDR分布式测量技术于1975年首先由Barnoski提出。 将光脉冲注入到光纤中， 当光脉冲在光纤内传输时， 会由于光纤本身的性质、 连接器、 接头、 弯曲或其他类似的事件而产生散射、 反射， 其中一部分的散射光和反射光将经过同样的路径延时返回到输入端。 第7章分布式光纤传感器19 19OTDR根据入射信号与其返回信号的时间差(或时延)， 利用下式就可计算出光
12、纤长度d： 式中， c为光在真空中的速度， n为光纤纤芯的有效折射率。 利用OTDR可以方便地从一端对光纤进行非破坏性的测量， 并且可以连续显示整个光纤线路距离上的损耗及其变化。 (7.1-2)第7章分布式光纤传感器2020利用OTDR可以方便地从一端对光纤进行非破坏性的测量， 并且可以连续显示整个光纤线路距离上的损耗及其变化。 其典型曲线前端和后端突起为端面的菲涅尔反射； 中间线性区为光脉冲沿具有均匀损耗的光纤段传播时的后向瑞利曲线； 其后面的非线性区表示光纤由于接头、 耦合不完善或光纤存在缺陷等引起的高损耗区。第7章分布式光纤传感器21 21在=0时刻， 从光纤的一端发送能量为E的光脉冲，
13、 该脉冲在传播过程中与光纤介质相互作用将产生瑞利散射光。 因此从=0开始， 在光的发送端可以接收到一系列的反向散射脉冲回波， 通过测定这些脉冲回波与输入光脉冲之间的时间间隔， 便可以确定光纤中相应的散射位置。 由于光纤中存在吸收损耗和散射损耗两种主要的损耗， 光脉冲和散射脉冲回波在传播时强度均会出现衰减， 因此其后向散射光功率为一衰减曲线。 第7章分布式光纤传感器22227.1.3 瑞利散射型分布式光纤传感技术瑞利散射型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引起的， 散射光的频率与入射光的频率相同。 一般采用光时域反射（OTDR）结构来实现被测量的空间定位。 瑞利散射
14、的原理是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， 返回光源。 第7章分布式光纤传感器2323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光纤上的扰动信息。 由于瑞利散射属于本征损耗， 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。 第7章分布式光纤传感器2424利用光时域反射（OTDR）原理来实现对空间分布的温度的测量。 基于后向瑞利散射传感系统框图如图7-3所示。 当窄带光脉冲被注入到光纤中时， 该系统通过测
15、量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。 第7章分布式光纤传感器2525图7-3 基于后向瑞利散射传感系统框图第7章分布式光纤传感器2626入射光经后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= vt。 v是光在光纤中传播的速度， v=c/n, c为真空中的光速， n为光纤的折射率。 在t 时刻测量的是离光纤入射端距离为L处局域的后向散射光。 采用OTDR技术， 可以确定光纤处的损耗及光纤故障点、 断点的位置。 第7章分布式光纤传感器27277.1.4 基于拉曼散射的分布式光纤传感技术基于拉曼散射的分布式光纤传感技术光在光纤中传播时， 光纤
16、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， 分别在入射光谱线的两侧， 其中， 频率为0的为斯托克斯光， 频率为0+的为反斯托克斯光。 第7章分布式光纤传感器2828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（Stokes）基本上与温度无关， 两者光强度比只和温度有关， 并可由下式表示： （7.1-3）式中： R(T)为待测温度的函数， Ias为反斯托克斯光强， Is为斯托克斯光强， as为反斯托克斯光频率， s为斯托克斯光频率， h为普朗克常量， k为波尔兹曼常
17、量， T为绝对温度。 第7章分布式光纤传感器2929基于自发拉曼散射的分布式光纤传感系统原理框图如图7-4所示。 拉曼散射分布式光纤传感器的唯一不足之处是返回信号相当弱， 因为反斯托克斯散射光比瑞利散射光强要弱20 dB30 dB。 为了避免信号处理过程的平均时间过长， 脉冲激光源的峰值功率要相当高。 第7章分布式光纤传感器3030图7-4 基于自发拉曼散射的分布式光纤传感系统原理框图第7章分布式光纤传感器31 317.1.5 布里渊散射型分布式光纤传感技术布里渊散射型分布式光纤传感技术由于介质分子内部存在一定形式的振动， 引起介质折射率随时间和空间周期性起伏， 从而产生自发声波场。 光定向入
18、射到光纤介质时受到该声波场的作用， 光纤中的光学声子和光学光子发生非弹性碰撞， 则产生布里渊散射。 在布里渊散射中， 散射光的频率相对于泵浦光有一个频移， 该频移通常称为布里渊频移。 第7章分布式光纤传感器3232散射光的布里渊频移量的大小与光纤材料声子的特性有直接关系。 当与散射光频率相关的光纤材料特性受温度和应变的影响时， 布里渊频移大小将发生变化。 因此， 通过测定脉冲光的后向布里渊散射光的频移量就可以实现分布式温度应变测量。第7章分布式光纤传感器3333光纤中布里渊散射通过相对于入射泵浦波频率下移的斯托克斯波的产生来表现， 布里渊散射可以看做是泵浦波和斯托克斯波、 声波之间的参量相互作
19、用的结果。 散射产生的布里渊频移量与光线中的声速成正比， 即（7.1-4）式中， VA为光纤中的声速， 为光波长。第7章分布式光纤传感器3434而光纤中的折射率和声速都与光纤的温度以及所受的应力等因素有关， 这使布里渊频移fB随参数的变化而变化， 温度和光纤应变都会造成布里渊频率的线性移动， 可表示为（7.1-5）第7章分布式光纤传感器3535实验发现， 布里渊功率也随温度和应变而变化： 布里渊功率随温度的上升而线性增加， 随应变增加而线性下降。 因此布里渊功率也可表示为（7.1-6）其中： fB(0)和P0分别为T=0、 应变为0时的布里渊频移和功率； f/T、f/分别为布里渊频移对应的温度
20、系数和应变系数； P/T、 P/分别为布里渊光功率对应的温度系数和应变系数。第7章分布式光纤传感器3636由于应变相对于温度对布里渊散射光功率的影响要小得多， 因此一般可以忽略， 可认为布里渊散射光功率只与温度有关。 因此由式（7.1-5）和式（7.1-6）可知， 通过检测布里渊散射光的光功率和频率即可得到光纤沿线的温度、 应变等的分布信息。 目前， 对布里渊散射的分布式光纤传感器的研究主要集中在以下三个方面： 第7章分布式光纤传感器37371. 基于布里渊光时域反射（BOTDR）技术的分布式光纤传感器基于BOTDR技术的光纤传感技术是在传统的光时域反射仪（OTDR）基础上发展起来的。 在OT
21、DR系统中， 光脉冲注入光纤系统的一端， 光纤中的后向瑞利散射光作为时间的函数， 同时带有光纤沿线温度/应变分布的信息： 散射光与脉冲光之间的时间延迟提供对光纤的位置信息的测量， 散射光的强度提供对光纤的衰减测量。 在BOTDR中， 后向的自发布里渊散射取代了瑞利散射， 由于布里渊散射受温度和应变的影响， 因此通过测量布里渊散射便可以得到温度和应变信息， 基于BOTDR的传感系统原理框图如图7-5所示。 第7章分布式光纤传感器3838图7-5 基于BOTDR的传感系统原理框图第7章分布式光纤传感器3939布里渊散射极其微弱， 相对于瑞利散射来说要低大约23个数量级， 而且相对于拉曼散射来说，
22、布里渊频移很小（对于一般光纤1550 nm时约为11 GHz左右）， 检测起来较为困难。 通常采用的检测方法有直接检测和相干检测两种。 对于布里渊散射信号的直接检测, 需要将微弱的布里渊散射光从瑞利后向散射光中分离出来。 传统的测量布里渊谱线的方法是利用F-P干涉仪， 但由于干涉仪工作不稳定， 插入损耗较大， 且布里渊散射较弱， 测得的布里渊频移往往不够准确。 K De Souza首次利用Mach-Zehnder干涉仪实现了自发布里渊散射和瑞利散射光的分离， 再对布里渊散射信号的频移和强度进行测量来得到分布的温度和应变信息。 第7章分布式光纤传感器4040 相干检测采用一台脉冲激光器和一台连续
23、激光器分别作为脉冲光源和泵浦光源， 将脉冲光和泵浦光的频差调到布里渊频移附近， 这样脉冲光进入光纤后其后向布里渊散射光的频率就与泵浦光的频率相近， 可用窄带相干接收机接收布里渊信号。 这种方法实现较为简单， 但对光源的稳定性要求较高。 1994年， 人们又在脉冲探测光光路中引入了一个光移频环路， 实现了一个高精度的相干自外差BOTDR监测系统， 得到空间分辨率100 m， 温度/应变探测精度2/0.01%， 动态范围16/12 dB； 其后， 他们又对该系统进行改进， 采用一个BOTDR与一个COTDR（相干OTDR）组成了一个新的OTDR系统， 该系统不仅可以同时测量光纤沿线的温度和应变分布
24、， 还可利用COTDR测量光纤沿线的损耗分布。 第7章分布式光纤传感器41 412. 基于布里渊光时域分析（BOTDA）技术的分布式光纤传感器 BOTDA技术最初是由Horiguchi等人提出来的， 基于该技术的光纤分布式传感器典型结构如图7-6所示。 图7-6 基于BOTDA的光纤分布式传感器典型结构第7章分布式光纤传感器4242处于光纤两端的可调谐激光器分别将一脉冲光与一连续光注入光纤， 当泵浦光和探测光的频差与光纤中某区域的布里渊频移fB相等时， 在该区域就会产生布里渊放大效应（受激布里渊散射）， 称之为布里渊受激放大作用， 两光束之间发生能量转移。 在BOTDA中， 当泵浦光的频率高于
25、探测光的频率时， 泵浦光的能量向探测光转移， 这种传感方式称为布里渊增益型； 泵浦光的频率低于探测光的频率时， 探测光的能量向泵浦光转移， 这种传感方式称为布里渊损耗性。 第7章分布式光纤传感器4343BOTDA技术便利用这一原理， 其探测信号可以是布里渊增益信号， 也可是布里渊损耗信号。 根据BOTDA的工作原理可知， 当满足f1f=fB时， 脉冲光的能量转移给连续光， 得到布里渊增益信号， 即连续光能量增加； 当满足f1f2=fB时， 脉冲光被放大， 连续光衰减， 得到布里渊衰减信号。 第7章分布式光纤传感器4444当光纤的某一部分发生应变时， 那里的布里渊频移便由fB变为fB（fB），
26、结果引起这部分BOTDA信号的急剧衰减。 调谐使入射泵浦光和探测光之间的频率差等于fB， 便能接收到该点的布里渊散射信号。第7章分布式光纤传感器4545由于布里渊频移与温度、 应变存在线性关系， 因此在对两激光器的频率进行连续调节的同时， 通过检测光纤一端耦合出来的连续光的功率， 就可以确定光纤各小段区域上能量转移达到最大时所对应的频率差， 从而得到温度应变信息， 实现分布式测量。 相对而言， 对于布里渊损耗型， 由于脉冲光在沿光纤中传播时被放大， 能量增加， 因此利用布里渊损耗信号可测量得到更长的距离， 具有一定的优越性。 BOTDA系统的显著特点是动态范围大， 测量精度高， 但该技术不能测
27、断点。 第7章分布式光纤传感器46463. 基于布里渊光频域分析（BOFDA）技术的分布式光纤传感器 BOFDA分布式光纤传感技术是1997年德国的D.Garus等人提出的一种新型的分布式光纤传感技术。 系统实验框图如图7-7所示。 第7章分布式光纤传感器4747图7-7 基于BOFDA的分布式光纤传感系统原理框图第7章分布式光纤传感器4848BOFDA同样是利用布里渊频移特性来实现温度/应变的感应的， 但其被测量空间定位不再是传统的广时域反射技术， 而是通过得到光纤的复合基带传输函数来实现的。 因此， 传感光纤两端所注入的光为频率不同的连续光， 其中探测光与泵浦光频差约等于光纤中的布里渊频移
28、分量fSfP=fB。 探测光首先经过调制频率fm可变的电光调制器进行幅度调制， 调制强度为注入光纤的探测光和泵浦光在光纤中相互作用的边界条件。 每个不同的调制信号频率fm， 都对应着一个探测光功率和泵浦光功率。 第7章分布式光纤传感器4949调节fm， 在耦合器的两个输出端同时检测注入光纤的探测光功率和泵浦光功率， 通过和检测器相连的网络分析仪就可以确定传感光纤的基带传输函数。 利用快速傅里叶逆变换（IFFT）由基带传输函数即可得到系统的实时冲激响应， 便能得到光纤沿线的温度/应变等参数的分布信息。 第7章分布式光纤传感器5050在BOFDA系统中， 系统的空间分辨率由调制信号的最大fm.ma
29、x和最小fm.min调制频率决定， 最大传感距离由调制信号频率变化的步长fm决定。 基于上述原理， D.Garus等人做了基于BOFDA分布式光纤传感系统实验方面的研究， 并取得了温度分辨率5 、 应变分辨率0.01%和空间分辨率3 m的实验结果。 第7章分布式光纤传感器51 517.1.6 多种分布式温度传感方法的比较多种分布式温度传感方法的比较采用不同的解调方式对三种不同类型的传感器用于温度测量的性能比较见表7-1。 传统时域法的系统结构简单， 但在信号处理时需要高速的采样电路， 这给信号的检测电路提出了更高的要求。 频域法的信号处理复杂， 但对检测电路的要求降低了， 故更有利于精确检测信
30、号的实现。第7章分布式光纤传感器5252第7章分布式光纤传感器53537.1.7 FBG和和BOTDR性能比较性能比较1. 空间分辨率准分布式的FBG网络仍然是以测点为基本单元工作的。 所测的应变位置明确， 即光纤光栅传感器布置位置就是所测量的应变发生位置， 而在没有光纤光栅布设处却无法测量或需要多个光栅。 BOTDR理论上可以监测光纤布设沿线所有点的应变和温度场， 但是目前由于受到光源、 信号处理等因素的影响， 其空间分辨率并不是无穷小， 而是在相邻可分辨点之间存在一定的间隔， 目前报道的最小分辨距离为5 cm。 第7章分布式光纤传感器54542. 传感器的价格与成本FBG价格昂贵、 成本高
31、； 而BOTDR的敏感单元就是普通单模光纤， 价格非常便宜。 3. 布设方式BOTDR可以实现光纤布设范围内的分布式监测， 能对井下温度、 应力等参数实现永久性动态监测， 这对油田开发特别有利。 而FBG测点相对独立， 把握整体变化的规律比较困难。通过比较可以发现， BOTDR在油田开发领域有巨大的应用潜力。第7章分布式光纤传感器55557.2 分布式光纤传感器传感信号的解调方法分布式光纤传感器传感信号的解调方法7.2.1 前言前言光纤布拉格光栅(FBG)以其在光纤激光器、 光通信和光纤传感器领域的优越性和巨大应用潜力成为近年来国内外光纤领域的研究热点。 由于它有波长解码、 易构成分布式结构、
32、 抗电磁干扰强、 便于利用复用(波分、 时分、 空分)技术等诸多传统传感器无法比拟的优点， 在民用工程、 航空航天、 船舶、 电力和石油等领域的安全监测方面有着广阔的应用前景。第7章分布式光纤传感器5656如何进行有效的信号解调， 是光纤光栅传感系统实用化推广的关键技术。 但由于用FBG构成的传感系统， 传感量主要以波长的微小位移为载体， 需要精密的波长或波长变化检测装置对波长编码信号进行解调， 从而造成系统成本高， 普通领域难以接受。 在经济、 实用的前提条件下， 具备可连续、 无间断、 长距离测量并与被测量介质有极强的亲和性的分布式光纤传感系统得到了广泛的关注。 第7章分布式光纤传感器57
33、57分布式FBG传感系统是指在一根光纤中串接多个FBG传感器， 当宽带光源照射光纤时， 每一个FBG反射回一个不同布拉格波长的窄带光波， 即通过单一通道实现对多个测试信号的采集。 这种技术的最大优点在于减少了测试数据采集设备所需的通道数量， 从而降低了测试成本， 并能够实现对待测物理量的分布(或准分布)场值的测量。 由于这种传感系统检测效率高， 并易于形成传感网络， 因此为其实际应用开辟了广阔的前景。 第7章分布式光纤传感器58587.2.2 FBG的解调原理的解调原理FBG是利用石英光纤的紫外光敏特性， 用特殊工艺使得光纤纤芯的折射率发生永久性周期变化而形成的， 能对波长满足布拉格反射条件的
34、入射光产生反射的光纤波导器件。 这种光栅的基本光学特性就是以共振波长为中心的窄带光学滤波器。 FBG传感系统的解调原理是： 外界被测量的变化加在传感头FBG上， 根据光纤耦合模理论， 当一宽光谱光源注入光纤时， 将产生模式耦合， FBG光栅将反射回一个中心波长为布拉格波长的窄带光波， 其FBG波长为B=2neff（7.2-1）式中， neff为纤芯的有效折射率， 为光栅周期。 第7章分布式光纤传感器5959分布式FBG传感系统的每一个FBG反射回一个不同布拉格波长的窄带光波， 各个光谱互不重叠。 由于FBG对于应力和温度都是敏感的， 它的中心波长B随和neff的改变而改变。 应力影响B是由弹光
35、效应和光纤光栅周期的变化引起的， 温度影响B则是由热光效应和热膨胀效应引起的。 当FBG仅受应变=L/L=/作用时， 光纤光栅中心反射波长的变化为(7.2-2)式中， Pe=n2effp12(p11+p12)/2为有效弹光系数， 为纤芯材料的泊松比。第7章分布式光纤传感器6060第7章分布式光纤传感器61 617.2.3 分布式分布式FBG传感器波长检测方法传感器波长检测方法如何检测出每个传感FBG波长的微小偏移量， 即对每个波长编码的信号实现解调， 是实现分布式传感器的关键技术。 为此， 国内外已经提出了多种检测方案， 下面对FBG复用传感系统的结构、 原理进行阐述分析， 比较它们的性能优劣
36、， 为其在实际领域的应用、 发展提供一定的理论指导。 第7章分布式光纤传感器62621光谱仪检测法对FBG传感器的波长移位最直接的检测方法就是用光谱仪检测输出光的B， 见图7-8。 这种方法的优点是： 设备结构简单， 适合实验室使用； 缺点是： 以色散棱镜或衍射光栅为基础的传统光谱仪分辨率低， 无法满足要求。 虽然高分辨率的光纤光谱分析仪可以满足要求， 但是这类光谱仪的价格昂贵、 体积庞大， 由此构成的系统缺乏必要的紧凑性和牢固度。 更为重要的是， 它不能直接输出对应波长变化的电信号， 这对于测量结果的记录、 存储和显示， 以及提供给控制回路必要的电信号以达到工业生产过程自动控制都是极为不利的
37、。第7章分布式光纤传感器6363图7-8 光谱仪解调系统第7章分布式光纤传感器64642 匹配光栅法匹配光栅法就是用一个与传感FBG相匹配的接收FBG去跟踪传感FBG的波长变化， 进行匹配滤波， 由两个光栅相匹配时接收FBG的波长去推知传感FBG的波长。 第7章分布式光纤传感器65653 透射式匹配光栅解调法如图7-9所示， 每个接收FBG通过各自的伺服系统与对应的传感FBG锁定在一起， 构成传感/接收FBG对。 所有的接收FBG串接在一起, 布拉格波长由压电陶瓷(PZT)的驱动电压控制， 并且给每一个PZT的驱动电压引入一个不同频率的交流调制信号， 这样， 光电探测器的输出就是一个包含不同频
38、率分量的交流信号。 当某一个传感FBG的波长由于外界物理量的变化而发生改变时， 则包含该频率成分的交流信号的幅值就会下降， 伺服系统就会改变相应PZT的驱动电压， 使之重新达到匹配。 第7章分布式光纤传感器6666图7-9 透射式匹配光栅解调系统原理图第7章分布式光纤传感器67674 反射匹配光栅解调法匹配光栅可以采用反射谱中的检测， 但反射谱的检测与投射谱的检测相比光损耗大、 分辨率低。 反射匹配光栅解调方法原理简单、 价格低廉， 能达到较高的测量分辨率， 静态应变可达0.4 , 动态应变可达0.01 s /Hz的分辨率。 采用了这种方案的一种时分复用传感系统如图7-10所示， 宽带光源调制
39、为脉冲信号， FBGS1和FBGR1、 FBGS2和FBGR2、 FBGS3和FBGR3、 FBGS4和FBGR4都是匹配光栅对。 第7章分布式光纤传感器6868宽带脉冲信号耦合进传感阵列， 各个光栅反射信号又经过各耦合器送到接收FBG。 接收FBG都平行固定在同一压电体上， 当压电体受线性或正弦扫描电压驱动时， 接收光栅都发生周期应变， 其幅度足够大就能保证每个周期里各光栅对匹配一次。 如果某个接收FBG与相应传感FBG匹配， 则会发生强烈反射， 从而使相应探测器接收到较强光信号。 事先测定每个接收FBG的布拉格光栅波长与电压的关系， 就可确定相应传感FBG波长的偏移。第7章分布式光纤传感器
40、6969图7-10 采用匹配光栅对检测的分布式传感系统第7章分布式光纤传感器7070匹配光栅法的优点： 结构简单， 而且对最终检测的反射光强无绝对要求， 所以各类强度噪声都不会对输出结果造成影响。 这种方法的不足之处： 一是要求两个光栅严格匹配； 二是受参考光栅应变量的限制， 传感光栅的测量范围不能很大； 三是PZT的响应速度有限， 只适用于测量静态或低频变化的物理量， 对于声振动等频率较高的物理量， 则能力有限。 第7章分布式光纤传感器71 715. 可调谐光纤法珀滤波器检测法可调谐光纤法珀滤波器检测法1） 可调谐法珀滤波解调图7-11所示为接收端使用可调光纤法珀滤波器(FFPF)检测的分布
41、式传感器的方案。 宽带光源发出的光经过耦合器入射到传感光栅阵列后， 被各FBG反射， 又经耦合器送到FFPF, FFPF工作在扫描状态， 锯齿波扫描电压加在其中的压电元件上来调节腔间隔， 使其窄通带在一定范围内扫描， 当它扫过某个布拉格波长时， 相应传感FBG反射的光信号就会通过， 经过光探测器后用一般的光谱仪就可观察分析。 第7章分布式光纤传感器7272 但是这样做分辨率不高， 原因在于FFPF通带与FBG卷积作用时观察峰谱线展宽， 影响了可探测的最小可分辨的布拉格波长偏移。 为此， 可以给FFPF再加上一个抖动电压， 让探测器输出到电混合器和低通滤波器装置， 它们以抖动频率探测输出分量，
42、可得到与光谱分量对应的响应， 所得响应在每一个FBG的中心波长处都有零交点出现， 这样就可以大大提高系统的分辨率。 可调谐光纤法珀滤波器的成本中等、 精度较高， 最适合在实用系统中采用， 但其重复性不是很好。 第7章分布式光纤传感器7373图7-11 可调谐法珀滤波解调系统第7章分布式光纤传感器74742） 改进的可调谐法珀滤波解调解调系统通过耦合器引导FBG反射光进入可调谐窄带光纤法珀滤波器， 通过电控压电陶瓷改变滤波器中法珀的腔长来改变法珀滤波器的导通频带。 在信号发生器的调谐控制信号作用下， 光纤法珀滤波器的导通频带扫描整个光栅反射光光谱。 由于光纤法珀滤波器的导通频带很窄， 当光纤法珀
43、滤波器的导通中心波长与某一FBG的布拉格波长相等时， 仅有一个FBG的反射光通过光纤法珀滤波器进入到光电探测器， 光电探测器将这一光栅的反射光变换成电信号， 这个信号的峰顶对应于从这一FBG反射回的波长， 如图7-12所示。 通过这种解调方式， 此解调系统能以几百赫兹的频率甚至几千赫兹的频率进行扫描， 在可调谐法珀滤波器的每个扫描周期中， 所有FBG传感器的布拉格波长能得到快速测定。 第7章分布式光纤传感器7575图7-12 改进的可调谐法珀滤波解调系统第7章分布式光纤传感器76766 应用阵列波导光栅的分布式FBG的快速解调技术应用阵列波导光栅(AWG)的分布式光纤光栅传感器波长解调的传感系
44、统， 如图7-13所示。 宽带光源发出的光经过耦合器、 单模光纤进入到FBG传感阵列， FBG传感阵列的反射波长信号又经过耦合器进入到阵列波导光栅AWG中， 而AWG本身的特性又将入射光分成不同波长的窄带送到多个通道中， 将FBG的各个波长之间分散一些， 同时保证每一个FBG的中心波长Bi(1in)随着被测量的变化范围都在相邻的AWG的两个通道的中心波长之间， 也就是说， Bi在am和am+1之间， 这样就能够避免解调时的相互干扰。 第7章分布式光纤传感器7777图7-13 应用AWG的分布式光纤光栅传感器解调系统第7章分布式光纤传感器7878同时每个窄带光通道中出来的光信号也就对应着一个FB
45、G传感信号。 光电管(PD1PDN)的输出则经过前置放大器进入到数据处理器或者是高速微计算机中， 通过计算机或处理器对前置放大器输出信号的检测就能确定相应光电管(PDi)电流的变化量。 正常情况下， 各个通道的中心波长对应各个FBG的中心波长， 一旦现场的温度或应力发生变化， 那么相应FBG的反射中心波长就会发生漂移， 而这会使反射光在相应通道中透过的光强也会发生变化(减弱)。第7章分布式光纤传感器7979当通道输出的光强减弱时， 对应PDi的电流就会减小， 而这个微弱的变化量通过放大处理进入到数据处理器就可以被检测到了。 这种方法的优点是： 精度高(0.5 pm以上)； 可检测FBG的数量大
46、； 由于采用了阵列波导AWG技术， 使得解调的速度大大提高。第7章分布式光纤传感器80807 非平衡马赫-泽德尔干涉仪检测法非平衡Mach-Zehnder(马赫-泽德尔)干涉仪检测的分布式传感系统如图7-14所示。 宽带光源发出的光被调制成脉冲信号， 经过耦合器入射到光栅阵列上， 被反射后送到马赫-泽德尔干涉仪， 通过非平衡马赫-泽德尔干涉仪把布拉格波长偏移转化为相位变化。 非平衡马赫-泽德尔干涉仪的两臂有光程差(OPD=nd)， 当输入光波长变化B时， 其输出相位变化为()=2nd/2。 第7章分布式光纤传感器81 81为保证各传感FBG反射信号在输出端时域上可分离， 光源脉冲宽度必须等于或
47、小于光在任意两个光栅之间的来回时间， 这样用时间门控制马赫-泽德尔的输出就可按顺序检测每一个光栅。 马赫-泽德尔干涉仪的一臂绕在压电圆筒上， 在压电圆筒上加一个锯齿波电压， 产生线性变化的相移， 通过带通滤波器后信号的输出形式为S(j)=Acos0t+(j)式中， j是第j个光栅的布拉格波长。 第7章分布式光纤传感器8282图7-14 非平衡马赫-泽德尔干涉仪检测法第7章分布式光纤传感器83837.3 其他其他(准准)分布式光纤传感器分布式光纤传感器光纤法珀传感器光纤法珀传感器 光纤法珀传感器(Optical Fiber Fabry-Perot Sensor， 光纤F-P或法珀传感器)是目前历
48、史最长， 技术最为成熟， 应用最为普遍的一种光纤传感器。 它在光纤内制造出两个高反射膜层， 从而形成一个腔长为L的微腔(见图7-15)。 当相干光束沿光纤入射到此微腔时， 光纤在微腔的两端面反射后沿原路返回并相遇而产生干涉， 其干涉输出信号与此微腔的长度相关。 当外界参量(力、 变形、 位移、 温度、 电压、 电流、 磁场等)以一定方式作用于此微腔， 使其腔长L发生变化， 导致其干涉输出信号也发生相应变化。 第7章分布式光纤传感器8484根据此原理， 从干涉信号的变化得到微腔的长度L乃至外界参量的变化， 实现各种参量的传感。 例如， 将光纤法珀腔直接固定在变形对象上， 则对象的微小变形就直接传
49、递给法珀腔， 导致输出光的变化， 从而形成光纤法珀应变/应力/压力/振动等传感器； 将光纤法珀腔固定在热膨胀系数线性度好的热膨胀材料上， 使腔长随热膨胀材料的伸缩而变化， 则构成了光纤法珀温度传感器； 若将光纤法珀腔固定在磁致伸缩材料上， 则构成了光纤法珀磁场传感器； 若将光纤法珀腔固定在电致伸缩材料上， 则构成了光纤法珀电压传感器。 第7章分布式光纤传感器8585图7-15 光纤法珀传感器基本结构示意图第7章分布式光纤传感器8686在光纤法珀传感器系统中， 光纤法珀腔是作为传感器来获取被测参量信息的。 为了实现不同的参量传感， 光纤法珀腔可以有不同的结构形式， 而且不同的结构形式具有不同的特
50、性。 目前， 光纤法珀腔主要有本征型、 非本征型、 S线型复合腔三种典型结构。 而非本征型是性能最好、 应用最为广泛的一种。 第7章分布式光纤传感器8787此外， 光纤法珀腔获取的信号必须经过处理， 才可以得到预期的结果， 而这个信号处理就是光纤法珀传感器的信号解调。 光纤法珀传感器的解调方法主要有强度解调和相位解调两大类， 而其中相位解调是难度较大， 但又比较能突出其优点， 且研究空间较广、 实施方案较多的一类解调方法， 也是目前实际应用最多的解调方法， 已有很多文献对其进行报道。 第7章分布式光纤传感器8888多传感器复用技术是光纤传感器优于其他传感器的一个突出特点， 也是光纤传感器的一个