分布式光纤传感器

光纤传感器最初使用时仅仅是采用了整条光纤上的一小段来实现传感功能。但是很快就出现了分布式光纤传感技术，它利用光在光纤中传播时发生的散射作用，使得光纤在整条链路上都具有传感功能。分布式光纤传感利用光纤既能“传”又能“感”的特点，在整个光纤长度上对沿光纤分布的环境参数进行连续测量，同时获得被测量的空间分布状态和随时间变化的信息。

当光波在光纤中传输时，会产生背向散射光，这主要是由弹性或非弹性的碰撞引起的。此类光散射主要包含由于光纤中折射率分布不均匀而产生的瑞利散射（Rayleigh scattering）、由光学声子引起的拉曼散射（Raman scattering）和由声学声子引起的布里渊散射（Brillouin scattering）三种类型的光散射。其中：瑞利散射是光与物质发生的弹性散射，其散射光的频率不发生变化；拉曼散射和布里渊散射是光与物质发生的非弹性散射，其散射光的频率将发生变化。拉曼散射又分为散托克斯－拉曼（Stokes－Raman）散射和反斯托克斯－拉曼（anti－Stokes－Raman）散射。各类散射光与入射光强度与波长的关系如图8－17所示。这些背向散射光受到外界环境物理因素（如温度、应力、振动等）的影响，据此可以测量物理量。

图8－17 光在光纤中传播时发生的散射

分布式光纤传感技术按照所采用散射机制的不同，可分为基于瑞利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，以及基于布里渊散射的分布式光纤传感技术。按照变化参数所在领域分为光时域反射技术和光频域反射技术。

8.5.1 光时域反射仪

光时域反射仪（OTDR）利用光纤中的背向散射信号测量光纤损耗的分布，可以对光纤链路上的“事件”进行探测、定位。人们根据光纤中散射机制的不同研制出了基于拉曼散射的光时域反射仪（ROTDR）、基于布里渊散射的光时域反射仪（BOTDR）和光时域分析仪（BOT－DA），以及基于瑞利散射的偏振敏感光时域反射仪（POTDR）。

1.基于拉曼散射的光时域反射仪（ROTDR）

当激光脉冲在光纤中传播时，激光脉冲光子与光纤分子的热振动相互作用而发生能量交换，从而产生拉曼散射。当光能转换成热振动时，散射出比入射光波长更长的斯托克斯－拉曼散射光；热振动转换为光能时，散射出比入射光波长短的反斯托克斯－拉曼散射光。温度和斯托克斯散射光与反斯托克斯散射光的强度比的关系为

式中：Ia、Is分别为反斯托克斯光与斯托克斯光的强度；λa、λs分别为反斯托克斯光与斯托克斯光的波长；h为普朗克常量；c为真空中光速；u为波数偏移量；k为玻尔兹曼常量；T为热力学温度。

由于拉曼散射与温度有关，因此可以构成ROTDR分布式温度传感器，其基本结构如图8－18所示。ROTDR分布式温度传感技术是分布式光纤传感技术中应用最成熟的一项。

图8－18 ROTDR分布式温度传感器测量结构

2.基于布里渊散射的光时域反射仪（BOTDR）和光时域分析仪（BOTDA）

光纤中因热运动和弹性波运动而产生的声学声子和光纤中传播的光学光子发生非弹性碰撞时将产生布里渊散射。布里渊散射光的频率相对于入射光有一定频移，即布里渊频移。光纤中布里渊频移νB与入射光频率ν0之间的关系为

式中：n为介质折射率；v为光纤内声速；c为真空中的光速。

光纤纤芯折射率n和声速v受温度和应变的影响，因此通过检测光脉冲的后向布里渊散射光的频移即可实现分布式温度、应变的测量。

基于布里渊散射的分布式光纤传感技术主要有两个研究方向：BOTDR技术和BOTDA技术。BOTDR技术通过将布里渊散射和OTDR相结合，用自发布里渊散射的频移测量应变和温度，然后应用OTDR来实现分布式测量。BOTDA是利用受激布里渊散射进行分布式测量的一种传感技术。

3.基于瑞利散射的光时域反射仪（POTDR）

瑞利散射由入射光与介质中的微观粒子发生的弹性碰撞引起。瑞利散射光具有频率、散射点的偏振方向与入射光相同的特点，因此散射光含有光纤散射点的偏振信息。在光纤的入射端对背向散射光的偏振态进行检测即可获得应力、温度等外界物理量的分布信息。

POTDR是基于瑞利散射的偏振敏感光时域反射仪，是在OTDR的基础上发展的新技术，它通过在探测器和待测光纤之间安放偏振器来获得偏振敏感信号，相对于OTDR，POT－DR要求激光脉冲的相干性很强。利用POTDR可以实现对光纤中双折射、拍长、偏振相关损耗等的分析研究。

在以上基于不同散射机制的光时域分析仪器中，ROTDR利用斯托克斯光与反斯托克斯光的强度比来进行检测，可消除光纤的固有损耗和不均匀性的影响，但散射光强度很弱，只能测量温度。BOTDR和BOTDA则具有动态范围大、测量精度高、对光纤弯曲不敏感的特点，但是其散射光强度很弱，不能够检测光纤的断点。POTDR通过测量双折射结果来检测外部物理量，具有对外界物理量很敏感的特性，但折射光的偏振态不稳定，分辨率和信噪比低。可见，每一种方法都存在不足之处，应根据实际使用需求进行合理选择。

8.5.2 光频域反射仪

当单模光纤中的光为连续光时，不同点的后向散射光在探测器中产生的拍频信号将随着被测点的变化而变化，探测这个拍频信号从而获得外界物理量变化信息的仪器，就是光频域反射仪（OFDR）。光频域反射在分布式光纤传感、光学相干层析（OCT）技术、光纤网络及集成光路诊断等领域得到了广泛应用。

光频域反射技术的研究与光时域反射技术相似，也主要利用了三类散射：拉曼散射、布里渊散射和瑞利散射。基于拉曼散射和布里渊散射的光频域反射技术在温度传感器方面的研究已经取得了长足的发展。

1.基于拉曼散射的光频域反射仪（ROFDR）

ROFDR是根据拉曼散射效应的原理，利用网络分析仪分析频域信号，确定光纤的复基带传输函数来进行温度的分布式测量的仪器。采用不同频率的正弦强度调制光作为参考光，将参考光与斯托克斯光和反斯托克斯光一起送入网络分析仪，经过反傅里叶变换（IFT）信号处理器对基带信号进行反傅里叶变换，得到斯托克斯光和反斯托克斯光的脉冲响应函数，脉冲响应函数反映了沿光纤的温度信息。ROFDR分布式温度测量原理如图8－19所示。

2.基于布里渊散射的光频域分析仪（BOFDA）

在BOFDA中，分布式传感器利用受激布里渊散射光，通过网络分析仪测出光纤的复基带传输函数，从复基带传输函数的幅值和相位来提取所携带的温度信息。BOFDA分布式温度测量原理如图8－20所示。

图8－19 ROFDR分布式温度测量原理

图8－20 BOFDA分布式温度测量原理

3.基于瑞利散射的光频域分析仪（POFDR）

POFDR用于背向检测光纤偏振特性，其基本原理是：将经过频率调制的连续光注入光纤中，对相应的背向散射场的偏振态进行分析。