基于高頻微波技術的分布式光纖傳感器布里淵散射信號檢測研究

摘要：本文對布里淵散射分布設的光纖傳感技術進行了詳細的介紹，同時利用相關檢測技術對其散射信號進行了檢測，這樣就可以有效地改進濾波的放大技術。

關鍵詞：高頻微波技術;分布式光纖傳感器;布里淵散射信號檢測

中圖分類號：TP212.14文獻標識碼：A

前言：現階段在光纖傳感領域內，高頻微波技術在科學界是一種全新的傳感技術，同時也是一種被全世界爭相研究的熱門技術。高頻微波技術在應用過程中，能夠具有較長的探測距離，同時還具備較強的抗輻射、抗電磁波干擾的優點。并且從物理角度上來看，其體積小質量輕，在工作環境中不會受高溫和高壓的影響，被廣泛應用到各種建筑的建設當中。

1 研究重要性

在20世紀七十年代，光通信技術才開始發展起來，為此出現了光纖傳感技術，這是一種全新的傳感技術。不同于其他的傳感技術，光纖傳感技術在傳感的方式以及機理上都有所不同，進行信號檢測以及信號的處理方面不同于普通的電學類傳感器。具體的表現是管線傳感器在信號的處理上采用了光波的形式，利用光纖組作為傳播的介質進行信號的傳感檢測，并且分布式光纖傳感器在系統上有著明顯的優勢。例如從物理角度上來看，體積和質量都相對較小，同時其材質也較柔軟，可以彎曲。并且在具體的使用中具有著極強的抗電磁干擾能力。同時還具備傳輸傳感技術的能力，有著較長的傳感距離，針對一些需要長距離傳輸的項目十分適用，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，進而將溫度等各種數據進行全面檢測。這種具有眾多優勢的傳感技術被廣泛應用到社會的各個領域當中，例如在城市建設項目的橋梁建設中、對鐵路運營的監控中，甚至是在航空領域的火箭發射以及推進的環節中都有著廣泛的使用。

2 光纖傳感技術的原理

光纖傳感技術的使用，其原理是利用了入射管的傳播特質，使其沿著光纖的纖芯進行傳播。但是由于外界環境中的溫度磁場等各種物理因素，會影響到其光纖的實際長度，使其光纖的折射率發生較為明顯的變化，進而導致關閉的強度、頻率等表征參量出現一定程度的波動。傳感過程中利用對這種參量的檢測，就可以有效地對待測的生物量和化學量完成物理量的傳感。

3 布里淵散射信號檢測的原理

了解布里淵散射的原理，是對其進行研究的關鍵。目前，我國以及國外大量學者都對這一問題展開了深入的探討，且取得了顯著的成果。有關領域普遍認為，布里淵散射的產生，與光纖材料密度存在顯著聯系。材料的密度值會在一定的周期內發生變化，而這一變化的產生，則是誘發散射的主要因素。除此之外，在光纖之中，抽運光與聲子之間也會相互作用。在此過程中，可出現入射光子能，其頻率一般為v，而傳播速度則為光速。這一光子能，會產生相應光子，但所產生的光子傳播方向與光子能相反，有關領域稱此光子為“斯托克斯光子”。大量實驗以及不斷的驗證結果表明，斯托克斯光子與入射光子之間存在一定的不同，主要體現在頻率方面，兩者該參數的頻率差一般處于11GHz左右。

在充分掌握了布里淵散射分布式光纖的原理之后，可以有效地進行傳感的測量。作為一種非線性的布里淵后向散射信號，能夠充分實現傳感的測量，一旦當光纖的入射情況可以達到具體的光纖光功率同布里淵散射閾值相同的時候，就可以有效地產生后向的布里淵散射信號。但是實際實驗中實驗者大量的經驗積累和數據表明，應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，溫度發生一定程度的變化或者出現了軸向的應變時，就會使光纖中背向布里淵散射光發生重要的變化，例如其頻率以及強度都會發生較為明顯的變化，同時其頻率的實際飄逸程度以及強度的變化量是與環境的溫度和應變有著較為明顯的線性關系，為此通過研究者不停地分析和試驗，最終得出其雙方呈現良好的線性關系。并且從傳感光纖的布里淵散射管的實際頻移以及強度的變動，可以獲取光纖分布的實際溫度以及應變變化的數值。^[1]

4 布里淵散射信號的溫度應變特性

從實驗人員對布里淵散射分布式光纖傳感器的實際原理進行分析和討論發現，實際就是在進行布里淵頻移同散射光功率以及溫度和應變之間尋找到具體的變化，但是需要對其光纖材料進行詳細的對比和分析，從而得出溫度應變與其光纖材料的關系。

對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以及熱光效應的，為此光纖折射率會受到光纖的溫度以及實際的振動變化而有明顯的浮動，并以此產生感應。但實際上溫度和應變的對于布里淵的頻移所產生的影響有限，且具有一定的獨立性，為此需要采用控制變量的方式進行影響性的探討。

而在布里淵功率同溫度以及應變的關系討論中，需要研究人員注意的是要重視起對布里淵散射管功率所產生的重要影響，為此通過進行溫度和應力對其光纖折射率的實驗發現來看，在薄片光線中的光纖雙手折射也會受到環境溫度的影響，而產生較為明顯的變化。并且在相位匹配條件都相同對反射光強度能夠達到最大值。

5 布里淵高精度光纖分布式傳感系統參量

布里淵散射的研究發現，其高精度的光纖分布式傳感器的實際系統參量包含著三個方面。

5.1 空間分辨率

光纖分布式傳感器在系統中的空間分辨率，其實就是指進行傳感過程中能夠對最小的空間距離進行有效的辨別，并且有效地表示出待測量的最小空間分布情況。

5.2 探測靈敏度

上文已經探討過了布里淵的增益現象能夠滿足其洛倫茲的分布情況，為此可以通過計算和公式得出溫度和應變的最小探測量的表達公式。

5.3 動態范圍

傳感系統中的動態范圍的具體定義已經有了明確的定義，本質上就是背向散射功率以及噪聲功率之間的差值，為此在實際的檢測過程中，就可以輕易地檢測出其光纖損耗的最大范圍值，并且可以確定出測量的范圍，且動態范圍表現的越好，其系統測量的距離就會更加明確和增大。這樣的數據計算和推導能夠準確掌握光纖的實際情況，幫助研究人員了解其光纖分布式傳感系統的變化參量。

6 基于布里淵散射的分布式管線傳感技術

在研究管線分布式傳感系統的過程中，首先需要清楚對光纖材料影響最明顯的因素就是溫度和應變的變化，這兩個因素會導致散射的特性在一定程度上發生變化，這樣也會進一步使布里淵頻移和其光功率有明顯的改變。針對布里淵光纖的傳感系統的特性，需要研究人員能夠運用其光纖分布式傳感的理論以及在具體的研究中，明確傳感的參量數據，知曉其溫度和應變能夠對布里淵的散射造成什么程度的影響。同時在對布里淵散射的光纖分布式傳感的研究上還需要重視對后向布里淵散射信號的探測，包含布里淵的光時域反射、光時域分析、光頻域分析等技術的研究，為此在各種分布傳感技術中，需要明確其時域內的后向反射傳感技術，是可以利用單端檢測的，以便能夠進行遠距離的傳感，避免受到管線鏈路中斷點的干擾。^[2]

總結：綜上所述，在研究布里淵散射分布式光纖傳感的過程中，需要明確其具體的原理，同時能夠明確在每個環節的技術要點，重視布里淵散射信號的溫度應變對于光纖材料的實際影響。

參考文獻：

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

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

作者簡介：李楠（1973年11月8日），男，遼寧省沈陽市，漢，碩士研究生，中級工程師 遼寧郵電規劃設計院大連辦事處，通信設計技術。

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