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2.2 分布式光纤传感技术
2.2.1 概述
自从Horiguchi和Culverhouse等人首次分别提出利用布里渊散射频移特性作为分布式应变和温度传感以来, 在世界范围内,众多研究人员展开了基于布里渊散射的传感系统的研究, 取得了可喜的成绩。
分布式光纤传感技术是基于光纤工程中广泛应用的光时域反射(OTDR)技术发展起来的一种新型传感技术,它具有其他传感技术所无法比拟的优点, 因此成为目前传感技术研究领域的热点。从上世纪七十年代末提出到现在短短二十几年里，分布式光纤传感技术得到了很快发展,并在以下三个方面取得了突破:
①基于瑞利散射的分布式光纤传感技术；
②基于拉曼散射的分布式光纤传感技术；
③基于布里渊散射的分布式光纤传感技术。
其中基于瑞利散射和拉曼散射的各项研究已经渐渐成熟, 并逐步走向实用阶段。基于布里渊散射的分布传感技术的研究较晚, 但由于它在温度、应变测量上所达到的测量精度、测量范围以及空间分辨率等方面远远高于其他传感技术，因此这项技术在目前得到了广泛的关注和研究[3]。
2.2.2 光纤中布里渊散射及其传感机理
⑴布里渊散射
在光纤中传播的光波, 其中大部分是往前向传播,但光纤的非结晶材料在微观空间中存在不均匀结构, 有一小部分光会发生散射现象。光纤中散射过程主要有三种: 瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射, 它们的散射机理完全不相同。其中,布里渊散射是光波和声波在光纤中传播过程中相互作用产生的光散射过程, 在不同的条件下, 布里渊散射又有自发散射和受激散射两种形式[20]。
在注入光功率不高时, 光纤材料分子的布朗运动将产生声学噪声,这种声学噪声在光纤中传播时, 其压力差将引起光纤材料折射率的变化, 从而对传输的光产生自发散射作用, 同时声波在材料中的传播将使压力差及折射率呈现周期性变化,导致散射光频率相对于传输光有一个多普勒频移的效应, 这种散射称为自发式布里渊散射。自发式布里渊散射可用量子物理学解释:一个泵浦光子转换成一个新的频率较低的斯托克斯光子，同时产生一个新的声子；同样地,一个泵浦光子吸收一个声子的能量后转换成一个新的频率较高的反斯托克斯光子。因此在自发式布里渊散射光谱中, 同时存在能量相当的斯托克斯和反斯托克斯两条谱线, 此谱线相对于入射光的频移大小与光纤材料声子的特性有直接联系。
由于构成光纤的硅材料是电致伸缩材料, 当大功率的泵浦光在光纤中传播时,其折射率会增大, 产生电致伸缩效应,导致其大部分传输光被转化为反向传输的散射光,产生受激布里渊散射效应。具体过程是: 当泵浦光在光纤中传播时,自发布里渊散射光沿泵浦光相反的方向传播, 当泵浦光的强度增大时,自发布里渊散射的强度也会增加,。当增大到一定程度时, 反向传输的斯托克斯光和泵浦光会发生干涉作用,产生比较强的干涉条纹,使光纤局部折射率大大的增加。由于电致伸缩效应, 此时就会产生一个声波, 声波的产生会激发出更多的布里渊散射光,激发出来的散射光又加强声波,如此相互作用,产生很强的散射, 这就是受激布里渊散射(SBS) 。相对于光波而言,声波的能量可忽略不计, 因此在不考虑声波能量的情况下, 此类SBS过程可以概括为频率较高的泵浦光能量向频率低的斯托克斯光转移的过程。这样受激布里渊散射可以看成仅仅是在有泵浦光存在的条件下在电致伸缩材料中传播的斯托克斯光经历了一个光增益过程。在受激布里渊散射中, 虽然理论上反斯托克斯和斯托克斯光都是存在的,但是一般情况下只表现为斯托克斯光[6]。