光纖感測器可分為本質型(Intrinsic)與非本質型(Extrinsic)兩類，如果光波一直 沒有離開光纖，而由環境的改變直接造成光纖內光波特性之改變，此類稱為本質
9 造成，又可分為雷利散射(Rayleigh scattering)及梅氏散射(Mie scattering)；而非彈性 散射則發生於光功率數十毫瓦以上，主要是入射光子與晶格間碰撞，光子會將部 分能量傳給晶格，導致散射光子有部分能量轉移使光子頻率產生變化，又可分為 布里淵散射(Brillouin scattering)和拉曼散射(Raman scattering)。
就量子振動的觀點來看，散射現象可視為光子與聲子的互相作用。在兩者互 相作用的過程中，光子可能會產生聲子，光子的能量會減少，其頻率也會減少，
稱為史托克飄移(Stoke shift)；也有可能光子會吸收聲子，光子的能量會增加，頻 率也會增加，稱為反史托克飄移(Anti-Stokes shift)，如圖 2.1[11]。
2-3 布里淵散射
產生布里淵散射的主要原因為當光射入光纖中，造成原子與原子間震動，引 起音波(acoustic wave)並因此改變折射率，而形成的一種散射現象，也就是入射光 波場與介質內彈性聲波場互相作用的結果。且入射光與音波互相作用時，會有一 部分光往後散射(180 度)，因都普勒效應(Doppler effect)，使得散射光會比入射光低 一個頻率值，稱為布里淵頻率νB，此頻率改變量又與音波成正比關係，音波又與 應變和溫度有關，一般情況下布里淵頻率約為11GHz，如圖 2.2[12]。
布里淵散射又可分為自發性(spontaneous)與激發性(stimulated)，自發性布里淵
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散射發生在光功率較低的情況，所以觀察十分困難，通常使用的都是功率較高才 會出現的激發性布里淵散射，主要是由泵波(pump wave)、探測波(probe wave)及音 波(acoustic wave)三者相互作用產生的結果[13]，大部分的入射光都會被轉成反向 的散射光。所以泵波和探測波在光纖內以反方向傳輸，再透過電致伸縮效應
探測波通過測式區(Fiber Under Test，FUT)會被光循環器導引到光偵測器來讀取由 泵波所得到的能量，此時用不同頻率去掃描探測波，從鎖相放大器可得到布里淵 增益頻譜(BGS)，如圖 2.4、2.5 為單模光纖(Single Mode Fiber ,SMF)與色散位移光 纖(Dispersion Shifted Fiber ,DSF)，其最大值對應之頻率即為布里淵頻率。
2-4.2 基本原理
光源的頻率調變可改變泵波與探測波之相關性(correlation peak)，此關係可用 在定位，下節將詳細介紹。在correlation peak 位置上，泵波與探測波頻率差為一 特定頻率，此時泵波如同一個單模態光源，產生出強且頻寬窄的布里淵增益給探 測波；在非correlation peak 位置上，泵波如同一個多模態光源，產生的布里淵增 益微弱且平坦，故所得之探測波增益遠小於在correlation peak 位置上，如圖 2.6[14]、
11 2.10[2]。將雷射光源藉由調變頻率(fm)的方式，可使 correlation peak 位置移動，由 圖2.11[2]可知當 fm調高時，correlation peaks 會往第零個 peak 移動，且只有在 correlation peaks 的位置才有布里淵增益，故只要讓待測區內只存在一個 correlation peak 即可以此 peak 來做定位，再藉由移動該 peak 來達到分佈式量測。
12
13
元件如下：
1. 光隔離器(isolater)：只允許單方向的光傳輸，如圖 2.13，在欲傳播方向(1→2) 的損失極小(＜1dB)，而在反方向(2→1)的損失則極大(＞50dB)，其工作原理是
4. 衰減器(attenuator)：本系統中，使用可調式光衰減器，主要是用來控制探測波 的強度，來達到最理想的布里淵增益頻譜[17]，所用之衰減器為 ANRITSU MN924A，如圖 2.16。其工作原理是利用迴轉機械，由衰減板和連續可變衰減 板組合而成，讓光線在對接時，發生一定錯位，使光能量產生損失，而達到 控制衰減量的目的，如圖2.17。
5. 極化控制器(polarization controller)：可分為手動及自動，如圖 2.18、2.19，主 要是控制光的極化狀態，可將任意極化態的輸入光轉成指定的極化態輸出，
工作原理是利用雙折射效應，將圓形迴圈做旋轉來改變光纖的壓力差，使得 光纖的極化態可以在很短的距離內做大幅度的改變。在使用本系統進行量測 中，當泵波與探測波有著相同的極化態，在correlation peak 處可得到顯著的 布里淵增益；相反的，如果泵波與探測波的極化態不同，甚至是正交，其在 correlation peak 處所得之布里淵增益會被大幅抑制[18]，使得應變量測產生誤 差，因此極化控制器對布里淵增益頻譜有關鍵的影響。
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2-4.5.2 光學主動元件
與被動元件相反，需要外加能量才可產生作用的元件，主要的特性是元件本 身會自動產生光電轉換效應，因此稱為主動元件。本系統所使用之光學主動元件 如下：
1. 雷射二極體(Distributed Feedback Laser Diode)：如圖2.20，本系統使用Optoway DL-5300 series DFB作為光源，其在共振腔內有一周期性的波形波導層，特定 波長的光因建設性干涉而增大，其餘波長光將被破壞性干涉給濾掉，其較易 作成單頻雷射產生狹小的頻譜，光譜越狹小對量測布里淵增益頻譜越有利。
本系統雷射光源操作波長為1550nm，並以雷射二極體控制器將操作溫度及電 流控制在25℃、20mA，確保光源處於最佳狀態下作動。
2. 摻鉺光纖放大器(EDFA)：EDFA(erbium-doped fiber amplifier)內部架構如圖2.21，
輸入光訊號經由耦合器分為主光源及監控光兩道，主光源經過隔離器會與波
3. 電光調變器(EOM)：EOM(Electro-Optical Modulators)是利用線性電光效應原理 來運作，電光效應是藉由外部電場感應，使材料(一般為LiNbO3)的折射係數發
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4. 法布立-柏若濾波器(Fabry-Perot Filter)：可讓特定波長的光通過，且具有調整 的功能，能濾掉欲濾的特定波長光。在量測過程中，泵波的反射光與得到增
2. NI PXI-4461：圖 2.23，其為一高準確度資料擷取模組(2 input/2 output)，結合 LabVIEW 鎖相放大器開發套件，可模擬一虛擬鎖相放大器(Lock-In Amplifier)，
在量測中為重要儀器，用來偵測非常小的交流訊號，即使雜訊大於訊號數千 倍。它主要是利用PSD(phase sensitive detector)將和參考訊號頻率、相位的訊 號鎖住，並過濾其他雜訊。在量測過程中，先將泵波以特定頻率截波，在能 量轉移後，探測波內含有做記號的訊號，再經由濾波器將反射泵波過濾掉，
最後由鎖相放大器擷取特定頻率的增益訊號做分析。
3. NI PXI-5652：圖 2.23，其為一具有模組化功能的連續波(Continuous-wave)產 生器，最高頻率可達6.6GHz。
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2-4.6 量測流程
圖2.24 為 BOCDA 量測流程圖，步驟介紹如下:
1. 前置作業，將光纖鋪設在待測結構物上或黏著於待測物上。
2. 將光纖接至待測區，一端接至 isolator(probe 端)，另一端接至 circulator(pump 端)。
3. 開啟系統各元件。
4. 調整濾波器至只允許布里淵散射光通過之頻段。
5. 開啟系統主程式。
6. 利用衰減器調整探測波強度至最佳訊雜比。
7. 取待測區內一特定位置，以極化控制器作極化最佳化。
8. 視待測物量測需求輸入適當的布里淵頻譜範圍、量測頻率範圍。
9. 開始量測，其在待測區每一位置做布里淵頻譜掃描。
10. 量測結果輸出。
11. 量測結束。
Is
Ramman Ray w
2 4
Gain spectrum in a.u.
10.4 10.5
1
2.3 BOCDA
單模光纖之布
0.7 10.8 Frequency in G
A 架構
0 2 3 4 5
Gain spectrum in a.u.
圖
圖 2.6
10.3 10.4 0.5
10.5 10.6
19
散位移光纖之
探測波之調變
10.7 10.8 Frequency in G
之布里淵頻
圖 2.7 藉由光源調
圖 2.8 不
調變在特定
不同應變下
20
定位置產生激
下與布里淵頻
激發性布里
頻率飄移之
里淵增益示意
之關係[16]
意圖[8]
-600
rrelation pea
0
-60
變之correlat
不同調變頻率
圖
圖
圖
23
2.13 光隔離
2.14 光耦合
2.15 光循環 離器
合器
環器
圖圖 2.16 An
圖 2.17 衰
24
nritsu MN92
衰減器工作原
24A 衰減器
原理示意圖 器
圖
圖 2.18
圖 2.19
25
8 手動極化
9 自動極化
化控制器
化控制器
圖 2
圖 2.2
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2.20 雷射二
21 EDFA 示 二極體
示意圖
圖 2
圖 2.2
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2.22 電光調
23 PXI 系統 調變器
統模組
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圖 2.24 BOCDA 量測流程圖
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