光通信研究 ２００８年第５期总第１４９期 里渊功率Ｐｅ与温度和应变的关系进行测量。光纤 布里渊频移和功率随温度和应变的变化可表示为 ｆ Ｂ—Ｃ Ｔ８Ｔ ＋Ｃ 捷 组，求解该方程组便可同时得到温度和应变信息。 两个布里渊峰的频移随温度和应变的变化关系可表 示为 １ 一Ｃｐ』Ｔ８Ｔ ＋ｃ 捷 ＇ Ｂ ／Ｉ 、 ｆｃ Ｃ １／８Ｔ、 Ｊ’ 。 。式中， ｅ是布里渊频移变化量； ／Ｐ。是布里渊功 式中，函 是布里渊峰１的频移变化量； 。是布里渊 率相对变化量；８Ｔ 及 ｅ 分别为光纤的温度和应变 峰２的频移变化量；８Ｔ及＆分别为温度和应变变化 的变化量；Ｇ 及 分别为布里渊频移的温度系数 和应变系数；Ｃ －ｒ及Ｃ 分别为布里渊功率的温度系 量；Ｃ 及Ｃ 分别为布里渊峰１的温度系数和应变 系数；Ｃ 及Ｃ 分别为布里渊峰２的温度系数和应 数和应变系数。由式（１）求得８Ｔ 及 ￡ ，即可实现 对温度和应变的同时测量。 将沿光纤分布的散射点中单个点产生的布里渊 散射光通过频率扫描的方式进行曲线拟合，对其进 一步分析便可确定布里渊频移和功率。在该方法 中，布里渊峰值功率的变化除了由温度和应变的变 化引起外，还将受沿光纤线路的光纤损耗、弯曲和接 头等的影响。为了消除光纤线路其他因素的变化对 布里渊功率的影响，Ｔ．Ｐ．Ｎｅｗｓｏｎ等人口 于１９９６ 年第一次提出利用Ｌａｎｄａｕ—Ｐｌａｃｚｅｋ Ｒａｔｉｏ（ＬＰＲ）实 现温度测量的方案。随后，在２０００年Ｔ．Ｐ．Ｎｅｗｓ— ｏｎ等人又报道了基于马赫一曾德干涉仪（ＭＺＩ）直 接检测的温度和应变同时传感系统 ］。 ＬＰＲ定义为瑞利散射光功率Ｐ 与布里渊散射 光功率Ｐ 之比，即ＬＰＲ—Ｐ ／Ｐ 。 利用ＭＺＩ的窄带滤波特性从背向散射信号中 将微弱的自发布里渊散射信号分离出来，从而实现 自发布里渊信号的强度检测。由于ＭＺＩ的功率传 输函数是入射光频率的函数，调节ＭＺＩ的自由程使 散射信号的频率位于ＭＺＩ功率传输函数的线性部 分，便可将散射信号频率变化量转换为强度变化量， 实现频移检测。该方法亦可通过计算瑞利信号强度 与布里渊信号强度的比值来消除光纤损耗、弯曲和 接头等对系统性能的影响。 １．２双布里渊频移同时测量的方法 在普通单模光纤中，布里渊散射谱只有一个峰， 而某些特种光纤具有多个散射峰，这是由其特殊的 波导结构和折射率分布状态所决定的。２００１年Ｌｅｅ 等人发现在大有效面积光纤（ＬＥＡＦ）布里渊谱的多 个峰中每个峰值频率的温度和应变系数不同，并通 过同时测量主峰附近两峰值频率的方法，实现了温 度和应变的同时测量ｌ＿２ｊ。 在ＬＥＡＦ中，第１与第２布里渊峰值频率具有 不同的温度和应变系数，通过测量这两个布里渊峰 值频率的温度和应变系数列出一个二元线性方程 ５４ 变系数。由式（２）求得８７＂及＆，即可同时确定沿光 纤的温度和应变分布。 最近南京大学董玉明等人通过实验证明了 ＬＥＡＦ布里渊谱的峰１与峰３的峰值功率的差值随 应变线性增加，而与温度无关；３个峰的布里渊频移 都随温度和应变的增加而线性增加，且峰２的布里 渊频移与温度及应变的关系具有很好的线性度。因 此他们提出采用峰ｌ与峰３的峰值功率的差值与应 变的关系联合峰２的频移同温度和应变的关系，实 现温度和应变的同时测量，此方法获得了约１３０ ￡ 的应变测量精度和８℃的温度测量精度 ］。 １．３联合拉曼散射和布里渊散射效应法 Ｔ．Ｐ．Ｎｅｗｓｏｎ等人在２００４年提出了联合自 发拉曼散射和自发布里渊散射进行温度和应变同时 测量的方法Ｌ５］。该方法首先利用自发拉曼散射仅对 温度敏感而对应变不敏感的特性，通过分布式拉曼 温度传感器测得光纤上的温度信息，并利用分布式 布里渊传感器测得包含温度和应变信息的布里渊频 移，然后计算出光纤上的应变信息。分布式拉曼温 度传感器通常使用第２个光源来测量瑞利信号的光 强，并将瑞利光强与用另一光源测得的拉曼信号光 强进行归一化处理，消除光纤损耗、微弯和接头损耗 对系统性能的影响。归一化拉曼光强的变化与温度 变化的关系可以表示为 ＡＴＲ（Ｌ）一ＡＩＲ（Ｌ）Ｃ ， （３） 式中，△ＴＲ（Ｌ）是位置Ｌ处温度的变化；ＡＩ （Ｌ）是 位置Ｌ处归一化拉曼光强的变化；Ｃ 是拉曼光强的 温度系数。 布里渊频移变化包含温度和应变信息，从布里 渊频移的测量结果中扣除温度的影响，便可得到光 纤位置Ｌ处应变的变化为 △￡（Ｌ）一 ，（４） Ｌ 式中，Ａｖ。（Ｌ）是Ｌ处布里渊频移的变化；Ｃ五是布里 渊频移的温度系数；Ｃ 是布里渊频移的应变系数。 维普资讯 http://www.cqvip.com 张吉生等： 光纤布里渊温度和应变分布同时传感方法研究 ２ 温度和应变同时传感的实现方案 ２．１ 直接检测 自动控制电路使系统稳定。外差检测通过带通滤波 取出差频成分，能很好地抑制系统中窄谱光源产生 的相干噪声，从而有利于提高系统信噪比及动态范 围。外差检测的极限信噪比为直接检测的两倍，而 且只要本振光足够强，外差检测很容易达到极限信 噪比，从而可以提高系统的温度和应变测量精度。 自发布里渊直接检测原理框图如图１所示。该 ＿＿二 广— — 传感光纤 通过定向耦合 一一 。、 器入射到传感 从信号处理上来看，外差检测可获得有关光信 号的全部信息，而直接检测只能获得光信号的强度 变化，不能获得光频和光相位的变化。外差检测对 ｌ滤波、鉴频ｌ ＿＿，光纤。背向散 ｒ 射光同时包含 ———— 瑞利散射和布 图１ 布里渊直接检测原理框图里渊散射，但瑞 利散射光强比布里渊散射光强约大２０ ｄＢ，使布里 渊散射完全淹没在瑞利散射中，并且包含很强的瑞 利相干噪声。所以在进行光电检测前必须使用光滤 波器（ＭＺＩ或法布里一珀罗干涉仪ＦＰＩ）将瑞利散射 和布里渊散射分离，才能实现自发布里渊散射信号 强度的检测。实现温度和应变的同时测量，还必须 检测出布里渊散射的频移。利用ＭＺＩ不仅可以实 现从背向散射光中将布里渊散射分离出来，而且通 过合理地设计ＭＺＩ，还可以对布里渊散射信号的频 率进行检测，实现光鉴频功能。 ２．２外差检测 布里渊外差检测原理框图如图２所示。该方案 与直接检测方案的主要区别在于光源发出的连续光 被定向耦合器分成两部分，一部分由电光调制器 （ＥＯＭ）调制为脉冲光后入射到传感光纤，另一部分 作为本振光与散射光一起入射到光电检测器进行外 差检测，取出差频分量，即布里渊频移信号，对布里 渊频谱进行分析处理，实现布里渊强度和频移的同 时测量。 图２布里渊外差检测原理框图 ２．３ 直接检测方案与外差检测方案的比较 从性能上来看，外差检测输出为散射光和本振 光的差频成分，可以解决光源频率漂移对系统性能 的影响，提高系统的稳定性与可靠性。由于直接检 测方案需要高稳定性的滤波器（ＭＺＩ或ＦＰＩ），系统 易受外界环境的影响，所以必须采用良好的密封或 信号光和本振光要求较高的波前匹配条件，那些不 能满足波前匹配条件的杂散光被自动滤除，只要信 号光和本振光的频率是稳定的，检测通道的通频带 恰好覆盖有用中频信号的频谱范围。因此，外差检 测具有良好的空间滤波和光谱滤波能力 ｊ。 从成本和复杂度来看，外差检测需采用高速光 电检测器，并要求很高的保偏性能，故必须对光电检 测器的输入光进行偏振控制，而且外差检测方案为 了将布里渊信号下变频到便于处理的低频段需要可 调微波本振源及微波混频器等器件，系统成本较 高 ］。直接检测方案由于采用了将频率变化转化为 强度变化的斜率鉴频原理，可采用普通光电二极管， 成本低。但为了提高ＭＺＩ鉴频灵敏度，必须减小 ＭＺＩ的自由程，即增加干涉仪两臂的光程差，从而 导致干涉仪的偏振依赖性，所以也需要对高灵敏度 的干涉仪进行偏振控制，使系统变得复杂。 ３ 基于ＬＰＲ的微波外差检测布里渊 光时域反射计（ＢＯＴＤＲ）传感系统 上述３种基于布里渊散射的分布型光纤温度和 应变同时传感方法中，联合拉曼散射和布里渊散射 效应法除了需要测量布里渊散射谱外，还要测量拉 曼散射谱，系统结构比较复杂，实用化困难；双布里 渊频移同时测量的方法由于需要特种光纤作为传感 器件，难以应用到已敷设的普通光纤系统中去；联合 布里渊峰值功率和频移与温度和应变的关系实现同 时测量的精度较高。考虑到外差检测方案具有上述 一系列优点，本文给出一种基于ＬＰＲ的微波外差检 测ＢＯＴＤＲ传感方案，其基本框图如图３所示。 本方案可以在同一条光纤线路上分别测得布里 渊信号光强和瑞利信号光强，通过计算瑞利信号强 度与布里渊信号强度的比消除由于光纤损耗、弯曲 和接头等对系统性能的影响，并精确定标光纤中布 里渊频移和强度的温度和应变系数。 ５５ 维普资讯 http://www.cqvip.com 光通信研究 ２００８年第５期总第１４９期 图３ 基于ＬＰＲ的微波外差检测ＢＯＴＤＲ传感系统 首先，为了获得高的布里渊散射效率，系统采用 传感的研究已成为近些年研究的热点，本文详细分 窄谱光源测量布里渊散射信号，激光器发出的光经 析比较了基于布里渊散射的光纤温度和应变同时传 耦合器１输出，一部分光作为本振光，另一部分光经 感的各种方法，探讨了实现传感方法的两种方案，并 ＥＯＭ调制成脉冲光，脉冲光经掺铒光纤放大器 对其性能及成本做了深入的比较。在此基础上，给 （ＥＤＦＡ）１放大，由光纤光栅１滤除自发辐射（ＡＳＥ） 出了一个基于ＬＰＲ的微波外差检测Ｂ０ＴＤＲ温度 噪声后通过环行器２进人传感光纤。光在传播时产 和应变同时传感系统。该系统采用对布里渊频谱进 生的背向散射光经环行器２输出，再经ＥＤＦＡ２及 行扫描的方式实现布里渊频移和强度的同时测量， 光纤光栅２滤除ＡＳＥ噪声，在光电检测器（ＰＤ）１中 进而实现温度和应变的同时测量。 与本振光进行相干检测。为保证两束光的偏振态很 好地匹配，在本振光路中加入偏振控制器。ＰＤ１输 参考文献： 出的电信号只包括差频信号（即布里渊频移信号）， Ｅ１］ 董玉明，张旭苹．布里渊散射光纤传感器的交叉敏感问 直流及二次谐波分量均被滤除。这样得到的信号频 题ＥＪ］．光学学报，２００７，２７（２）：１９７—２０１． 率较高，无法进行精确的信号处理，需采用下变频器 ［２］Ｌｅｅ Ｃ Ｃ，Ｃｈｉａｎｇ Ｐ Ｗ，Ｃｈｉ Ｓ．Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｄｉｓｐｅｒ— ｓｉｏｎ——ｓｈｉｆｔｅｄ ｆｉｂｅｒ ｆｏｒ ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｄｉｓ— 将频率搬移到较低的频带内，然后由数据采集及处 ｔｒｉｂｕｔｅｄ ｓｔｒａｉｎ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｔｈｒｏｕｇｈ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ ｆｒｅ— 理单元对信号进行分析处理。 ｑｕｅｎｃｙ ｓｈｉｆｔ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏ１．Ｌｅｔｔ．， 其次，为了减小瑞利相干噪声，系统采用宽谱光 ２００１，１３（１Ｏ）：１ ０９４—１ ０９６． 源测量瑞利散射信号，此时采用直接检测方案。激 ［３］ ｗａｉｔ Ｐ Ｃ，Ｎｅｗｓｏｎ Ｔ Ｐ．Ｌａｎｄａｕ Ｐｌａｃｚｅｋ ｒａｔｉｏ ａｐｐｌｉｅｄ 光器发出的光经耦合器１输出，由ＥＯＭ调制成脉 ｔＯ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｆｉｂｒｅ ｓｅｎｓｉｎｇ［Ｊ］．Ｏｐｔ．Ｃｏｍｍｕｎ．， 冲光，脉冲光经与布里渊信号测量时相同的光路进 １９９６，１２２：１４卜１４６． 入传感光纤。瑞利散射光经分光比９５：５的耦合器 Ｅ４］ Ｋｅｅ Ｈ Ｈ，Ｌｅｅｓ Ｇ Ｐ，Ｎｅｗｓｏｎ Ｔ Ｐ．Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ ｉｎｄｅ— ２入射到ＰＤ ２，然后由数据采集及处理单元对信号 ｐｅｎｄｅｎｔ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｓｔｒａｉｎ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅ— 进行分析处理。 ｍｅｎｔｓ ｏｖｅｒ １ ５ ｋｍ ｕｓｉｎｇ ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ ｓｃａｔｔｅｒ— 该方案采用对布里渊频谱进行扫描的方法实现 ｉｎｇ Ｅｃ］．Ｇｌａｓｇｏｗ：Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ，２０００．２７１—２７９． ｒ５］ Ａｌａｈｂａｂｉ Ｍ Ｎ，Ｃｈｏ Ｙ Ｔ，Ｎｅｗｓｏｎ Ｔ Ｐ．Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ 布里渊频移和强度的同时测量，进而实现温度和应 ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｓｔｒａｉｎ ｕ— 变的同时测量。当下变频器可调滤波器的调节步长 ｓｉｎｇ ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｒａｍａｎ ａｎｄ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｅｃ］． 与带通滤波器带宽相等时，布里渊谱不同频率成分 Ｓａｎｔａｎｄｅｒ：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＥＷＯＦＳ’０４，２００４．４８８— 的信号依次通过低通滤波器，对滤波器输出的不同 ４９１． 频率信号进行洛伦兹拟合，由谱的幅度最大点对应 ［６］朱京平．光电子技术基础［Ｍ］．北京：科学出版社， 的频率确定布里渊频移，由频谱积分得到布里渊散 ２００３．】７８一］８２． 射强度。 ４ 结 论 基于布里渊散射的分布型光纤温度和应变同时 ５６
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