一、前言

　　分布式光纖傳感技術(shù)是基于光纖工程中廣泛應(yīng)用的光時(shí)域反射（otdr）技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種新型傳感技術(shù)，由于它具有其他傳感技術(shù)所無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，因此成為目前傳感技術(shù)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。從上世紀(jì)七十年代末提出到現(xiàn)在短短二十幾年里，分布式光纖傳感技術(shù)得到了很快發(fā)展，并在以下三個(gè)方面取得了突破：

　�、� 基于瑞利散射的分布式光纖傳感技術(shù)；

　�、� 基于拉曼散射的分布式光纖傳感技術(shù)；

　�、� 基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)。

　　其中基于瑞利散射和拉曼散射的研究已經(jīng)趨于成熟，并逐步走向?qū)嵱没��；诓祭餃Y散射的分布傳感技術(shù)的研究起步較晚，但由于它在溫度、應(yīng)變測(cè)量上所達(dá)到的測(cè)量精度、測(cè)量范圍以及空間分辨率均高于其他傳感技術(shù)，因此這種技術(shù)在目前得到廣泛關(guān)注與研究。

　　二、光纖中的布里淵散射及其傳感機(jī)理

　　1、布里淵散[1]

　　在光纖中傳播的光波，其大部分是前向傳播的，但由于光纖的非結(jié)晶材料在微觀空間存在不均勻結(jié)構(gòu)，有一小部分光會(huì)發(fā)生散射。光纖中的散射過(guò)程主要有三種：瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射，它們的散射機(jī)理各不相同。其中，布里淵散射是光波與聲波在光纖中傳播時(shí)相互作用而產(chǎn)生的光散射過(guò)程，在不同的條件下，布里淵散射又分別以自發(fā)散射和受激散射兩種形式表現(xiàn)出來(lái)。

　　在注入光功率不高的情況下，光纖材料分子的布朗運(yùn)動(dòng)將產(chǎn)生聲學(xué)噪聲，當(dāng)這種聲學(xué)噪聲在光纖中傳播時(shí)，其壓力差將引起光纖材料折射率的變化，從而對(duì)傳輸光產(chǎn)生自發(fā)散射作用，同時(shí)聲波在材料中的傳播將使壓力差及折射率變化呈現(xiàn)周期性，導(dǎo)致散射光頻率相對(duì)于傳輸光有一個(gè)多普勒頻移，這種散射稱為自發(fā)布里淵散射。自發(fā)布里淵散射可用量子物理學(xué)解釋如下：一個(gè)泵浦光子轉(zhuǎn)換成一個(gè)新的頻率較低的斯托克斯光子并同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)新的聲子；同樣地，一個(gè)泵浦光子吸收一個(gè)聲子的能量轉(zhuǎn)換成一個(gè)新的頻率較高的反斯托克斯光子。因此在自發(fā)布里淵散射光譜中，同時(shí)存在能量相當(dāng)?shù)乃雇锌怂购头此雇锌怂箖蓷l譜線，其相對(duì)于入射光的頻移大小與光纖材料聲子的特性有直接關(guān)系。

　　由于構(gòu)成光纖的硅材料是一種電致伸縮材料，當(dāng)大功率的泵浦光在光纖中傳播時(shí)，其折射率會(huì)增加，產(chǎn)生電致伸縮效應(yīng)，導(dǎo)致大部分傳輸光被轉(zhuǎn)化為反向傳輸?shù)纳⑸涔�，產(chǎn)生受激布里淵散射。具體過(guò)程是：當(dāng)泵浦光在光纖中傳播時(shí)，其自發(fā)布里淵散射光沿泵浦光相反的方向傳播，當(dāng)泵浦光的強(qiáng)度增大時(shí)，自發(fā)布里淵散射的強(qiáng)度增加，當(dāng)增大到一定程度時(shí)，反向傳輸?shù)乃雇锌怂构夂捅闷止鈱l(fā)生干涉作用，產(chǎn)生較強(qiáng)的干涉條紋，使光纖局部折射率大大增加。這樣由于電致伸縮效應(yīng)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)聲波，聲波的產(chǎn)生激發(fā)出更多的布里淵散射光，激發(fā)出來(lái)的散射光又加強(qiáng)聲波，如此相互作用，產(chǎn)生很強(qiáng)的散射，這就是受激布里淵散射（sbs）。相對(duì)于光波而言，聲波的能量可忽略，因此在不考慮聲波的情況下，這種sbs過(guò)程可以概括為頻率較高的泵浦光的能量向頻率低的斯托克斯光轉(zhuǎn)移的過(guò)程。這樣受激布里淵散射可以看成僅僅是在有泵浦光存在的情況下在電致伸縮材料中傳播的斯托克斯光經(jīng)歷了一個(gè)光增益的過(guò)程。在受激布里淵散射中，雖然理論上反斯托克斯和斯托克斯光都存在，一般情況下只表現(xiàn)為斯托克斯光。

　　2、布里淵散射的傳感機(jī)理。

　　如前所述，光纖中的布里淵散射相對(duì)泵浦光有一個(gè)頻移，通常稱此頻移為布里淵頻移。其中背向布里淵散射的布里淵頻移最大，并由下式給出[2]： (1)

　　其中：vb—布里淵頻移，

　　 n—光纖纖芯折射率，

　　 va—聲速，

　　l—泵浦光的波長(zhǎng)。

　　對(duì)于普通的硅玻璃光纖，n=1.46，va=5945m/s，當(dāng)泵浦光的波長(zhǎng)l=1.55mm時(shí)，布里淵頻移vb»11.2ghz。

　　大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究證明，光纖中布里淵散射信號(hào)的布里淵頻移和功率與光纖所處環(huán)境溫度和所承受的應(yīng)變?cè)谝欢l件下呈線形變化關(guān)系，并由下式給出[3]：（2）

　　其中，

　　三、 布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)研究現(xiàn)狀

　　自從horiguchi[4]和culverhouse[5]等人首次分別提出利用布里淵散射頻移特性作為分布式應(yīng)變和溫度傳感以來(lái)，在世界范圍內(nèi)，眾多研究人員展開(kāi)了基于布里淵散射的傳感

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