基于高頻微波技術(shù)的分布式光纖傳感器布里淵散射信號(hào)檢測(cè)研究

摘要：本文對(duì)布里淵散射分布設(shè)的光纖傳感技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，同時(shí)利用相關(guān)檢測(cè)技術(shù)對(duì)其散射信號(hào)進(jìn)行了檢測(cè)，這樣就可以有效地改進(jìn)濾波的放大技術(shù)。

關(guān)鍵詞：高頻微波技術(shù);分布式光纖傳感器;布里淵散射信號(hào)檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP212.14文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

前言：現(xiàn)階段在光纖傳感領(lǐng)域內(nèi)，高頻微波技術(shù)在科學(xué)界是一種全新的傳感技術(shù)，同時(shí)也是一種被全世界爭(zhēng)相研究的熱門(mén)技術(shù)。高頻微波技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中，能夠具有較長(zhǎng)的探測(cè)距離，同時(shí)還具備較強(qiáng)的抗輻射、抗電磁波干擾的優(yōu)點(diǎn)。并且從物理角度上來(lái)看，其體積小質(zhì)量輕，在工作環(huán)境中不會(huì)受高溫和高壓的影響，被廣泛應(yīng)用到各種建筑的建設(shè)當(dāng)中。

1 研究重要性

在20世紀(jì)七十年代，光通信技術(shù)才開(kāi)始發(fā)展起來(lái)，為此出現(xiàn)了光纖傳感技術(shù)，這是一種全新的傳感技術(shù)。不同于其他的傳感技術(shù)，光纖傳感技術(shù)在傳感的方式以及機(jī)理上都有所不同，進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)以及信號(hào)的處理方面不同于普通的電學(xué)類(lèi)傳感器。具體的表現(xiàn)是管線(xiàn)傳感器在信號(hào)的處理上采用了光波的形式，利用光纖組作為傳播的介質(zhì)進(jìn)行信號(hào)的傳感檢測(cè)，并且分布式光纖傳感器在系統(tǒng)上有著明顯的優(yōu)勢(shì)。例如從物理角度上來(lái)看，體積和質(zhì)量都相對(duì)較小，同時(shí)其材質(zhì)也較柔軟，可以彎曲。并且在具體的使用中具有著極強(qiáng)的抗電磁干擾能力。同時(shí)還具備傳輸傳感技術(shù)的能力，有著較長(zhǎng)的傳感距離，針對(duì)一些需要長(zhǎng)距離傳輸?shù)捻?xiàng)目十分適用，由于其主要的特征，使其能夠在傳輸匯總擁有眾多傳感參量，進(jìn)而將溫度等各種數(shù)據(jù)進(jìn)行全面檢測(cè)。這種具有眾多優(yōu)勢(shì)的傳感技術(shù)被廣泛應(yīng)用到社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，例如在城市建設(shè)項(xiàng)目的橋梁建設(shè)中、對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)的監(jiān)控中，甚至是在航空領(lǐng)域的火箭發(fā)射以及推進(jìn)的環(huán)節(jié)中都有著廣泛的使用。

2 光纖傳感技術(shù)的原理

光纖傳感技術(shù)的使用，其原理是利用了入射管的傳播特質(zhì)，使其沿著光纖的纖芯進(jìn)行傳播。但是由于外界環(huán)境中的溫度磁場(chǎng)等各種物理因素，會(huì)影響到其光纖的實(shí)際長(zhǎng)度，使其光纖的折射率發(fā)生較為明顯的變化，進(jìn)而導(dǎo)致關(guān)閉的強(qiáng)度、頻率等表征參量出現(xiàn)一定程度的波動(dòng)。傳感過(guò)程中利用對(duì)這種參量的檢測(cè)，就可以有效地對(duì)待測(cè)的生物量和化學(xué)量完成物理量的傳感。

3 布里淵散射信號(hào)檢測(cè)的原理

了解布里淵散射的原理，是對(duì)其進(jìn)行研究的關(guān)鍵。目前，我國(guó)以及國(guó)外大量學(xué)者都對(duì)這一問(wèn)題展開(kāi)了深入的探討，且取得了顯著的成果。有關(guān)領(lǐng)域普遍認(rèn)為，布里淵散射的產(chǎn)生，與光纖材料密度存在顯著聯(lián)系。材料的密度值會(huì)在一定的周期內(nèi)發(fā)生變化，而這一變化的產(chǎn)生，則是誘發(fā)散射的主要因素。除此之外，在光纖之中，抽運(yùn)光與聲子之間也會(huì)相互作用。在此過(guò)程中，可出現(xiàn)入射光子能，其頻率一般為v，而傳播速度則為光速。這一光子能，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)光子，但所產(chǎn)生的光子傳播方向與光子能相反，有關(guān)領(lǐng)域稱(chēng)此光子為“斯托克斯光子”。大量實(shí)驗(yàn)以及不斷的驗(yàn)證結(jié)果表明，斯托克斯光子與入射光子之間存在一定的不同，主要體現(xiàn)在頻率方面，兩者該參數(shù)的頻率差一般處于11GHz左右。

在充分掌握了布里淵散射分布式光纖的原理之后，可以有效地進(jìn)行傳感的測(cè)量。作為一種非線(xiàn)性的布里淵后向散射信號(hào)，能夠充分實(shí)現(xiàn)傳感的測(cè)量，一旦當(dāng)光纖的入射情況可以達(dá)到具體的光纖光功率同布里淵散射閾值相同的時(shí)候，就可以有效地產(chǎn)生后向的布里淵散射信號(hào)。但是實(shí)際實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)者大量的經(jīng)驗(yàn)積累和數(shù)據(jù)表明，應(yīng)變和溫度是影響布里淵散射情況的重要因素，為此一定光纖的傳播途徑中，溫度發(fā)生一定程度的變化或者出現(xiàn)了軸向的應(yīng)變時(shí)，就會(huì)使光纖中背向布里淵散射光發(fā)生重要的變化，例如其頻率以及強(qiáng)度都會(huì)發(fā)生較為明顯的變化，同時(shí)其頻率的實(shí)際飄逸程度以及強(qiáng)度的變化量是與環(huán)境的溫度和應(yīng)變有著較為明顯的線(xiàn)性關(guān)系，為此通過(guò)研究者不停地分析和試驗(yàn)，最終得出其雙方呈現(xiàn)良好的線(xiàn)性關(guān)系。并且從傳感光纖的布里淵散射管的實(shí)際頻移以及強(qiáng)度的變動(dòng)，可以獲取光纖分布的實(shí)際溫度以及應(yīng)變變化的數(shù)值。^[1]

4 布里淵散射信號(hào)的溫度應(yīng)變特性

從實(shí)驗(yàn)人員對(duì)布里淵散射分布式光纖傳感器的實(shí)際原理進(jìn)行分析和討論發(fā)現(xiàn)，實(shí)際就是在進(jìn)行布里淵頻移同散射光功率以及溫度和應(yīng)變之間尋找到具體的變化，但是需要對(duì)其光纖材料進(jìn)行詳細(xì)的對(duì)比和分析，從而得出溫度應(yīng)變與其光纖材料的關(guān)系。

對(duì)布里淵的頻移研究匯總，光纖可以確定的是自身是有著彈光效應(yīng)以及熱光效應(yīng)的，為此光纖折射率會(huì)受到光纖的溫度以及實(shí)際的振動(dòng)變化而有明顯的浮動(dòng)，并以此產(chǎn)生感應(yīng)。但實(shí)際上溫度和應(yīng)變的對(duì)于布里淵的頻移所產(chǎn)生的影響有限，且具有一定的獨(dú)立性，為此需要采用控制變量的方式進(jìn)行影響性的探討。

而在布里淵功率同溫度以及應(yīng)變的關(guān)系討論中，需要研究人員注意的是要重視起對(duì)布里淵散射管功率所產(chǎn)生的重要影響，為此通過(guò)進(jìn)行溫度和應(yīng)力對(duì)其光纖折射率的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)來(lái)看，在薄片光線(xiàn)中的光纖雙手折射也會(huì)受到環(huán)境溫度的影響，而產(chǎn)生較為明顯的變化。并且在相位匹配條件都相同對(duì)反射光強(qiáng)度能夠達(dá)到最大值。

5 布里淵高精度光纖分布式傳感系統(tǒng)參量

布里淵散射的研究發(fā)現(xiàn)，其高精度的光纖分布式傳感器的實(shí)際系統(tǒng)參量包含著三個(gè)方面。

5.1 空間分辨率

光纖分布式傳感器在系統(tǒng)中的空間分辨率，其實(shí)就是指進(jìn)行傳感過(guò)程中能夠?qū)ψ钚〉目臻g距離進(jìn)行有效的辨別，并且有效地表示出待測(cè)量的最小空間分布情況。

5.2 探測(cè)靈敏度

上文已經(jīng)探討過(guò)了布里淵的增益現(xiàn)象能夠滿(mǎn)足其洛倫茲的分布情況，為此可以通過(guò)計(jì)算和公式得出溫度和應(yīng)變的最小探測(cè)量的表達(dá)公式。

5.3 動(dòng)態(tài)范圍

傳感系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)范圍的具體定義已經(jīng)有了明確的定義，本質(zhì)上就是背向散射功率以及噪聲功率之間的差值，為此在實(shí)際的檢測(cè)過(guò)程中，就可以輕易地檢測(cè)出其光纖損耗的最大范圍值，并且可以確定出測(cè)量的范圍，且動(dòng)態(tài)范圍表現(xiàn)的越好，其系統(tǒng)測(cè)量的距離就會(huì)更加明確和增大。這樣的數(shù)據(jù)計(jì)算和推導(dǎo)能夠準(zhǔn)確掌握光纖的實(shí)際情況，幫助研究人員了解其光纖分布式傳感系統(tǒng)的變化參量。

6 基于布里淵散射的分布式管線(xiàn)傳感技術(shù)

在研究管線(xiàn)分布式傳感系統(tǒng)的過(guò)程中，首先需要清楚對(duì)光纖材料影響最明顯的因素就是溫度和應(yīng)變的變化，這兩個(gè)因素會(huì)導(dǎo)致散射的特性在一定程度上發(fā)生變化，這樣也會(huì)進(jìn)一步使布里淵頻移和其光功率有明顯的改變。針對(duì)布里淵光纖的傳感系統(tǒng)的特性，需要研究人員能夠運(yùn)用其光纖分布式傳感的理論以及在具體的研究中，明確傳感的參量數(shù)據(jù)，知曉其溫度和應(yīng)變能夠?qū)Σ祭餃Y的散射造成什么程度的影響。同時(shí)在對(duì)布里淵散射的光纖分布式傳感的研究上還需要重視對(duì)后向布里淵散射信號(hào)的探測(cè)，包含布里淵的光時(shí)域反射、光時(shí)域分析、光頻域分析等技術(shù)的研究，為此在各種分布傳感技術(shù)中，需要明確其時(shí)域內(nèi)的后向反射傳感技術(shù)，是可以利用單端檢測(cè)的，以便能夠進(jìn)行遠(yuǎn)距離的傳感，避免受到管線(xiàn)鏈路中斷點(diǎn)的干擾。^[2]

總結(jié)：綜上所述，在研究布里淵散射分布式光纖傳感的過(guò)程中，需要明確其具體的原理，同時(shí)能夠明確在每個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)要點(diǎn)，重視布里淵散射信號(hào)的溫度應(yīng)變對(duì)于光纖材料的實(shí)際影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳福昌，胡佳成，張承濤.基于高頻微波技術(shù)的分布式布里淵光纖溫度傳感器[J].中國(guó)激光，2012，39（06）：131-135.

[2]崔良端，朱忠翰，賈亮.高頻微波印制板技術(shù)及發(fā)展前景[J].電子技術(shù)與軟件工程，2017（15）：88.

作者簡(jiǎn)介：李楠（1973年11月8日），男，遼寧省沈陽(yáng)市，漢，碩士研究生，中級(jí)工程師 遼寧郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院大連辦事處，通信設(shè)計(jì)技術(shù)。

Study on Brillouin Scattering Detection of Distributed Optical Fiber Sensor Based on High Frequency Microwave Technology

Li Nan

（Dalian?office， Liaoning Post and Telecommunications Planning and Design Institute， Dalian 116001）

Abstract： In this paper， the optical fiber sensing technology of brillouin scattering distribution device is introduced in detail， and the scattering signal is detected by correlation detection technology， so that the filtering amplification technology can be effectively improved.

Key words： high frequency microwave technology; distributed optical fiber sensor; brillouin scattering detection