第九章分布式光纖傳感技術

1、2021/3/261 1分布式光纖傳感分布式光纖傳感技術與應用技術與應用2021/3/262 2 分布式光纖傳感技術分布式光纖傳感技術利用光波在光纖中傳輸的特性利用光波在光纖中傳輸的特性, ,可沿光纖長度方可沿光纖長度方向連續(xù)的傳感被測量（如溫度、壓力、應力和向連續(xù)的傳感被測量（如溫度、壓力、應力和應變等）應變等）光纖既是傳感介質光纖既是傳感介質, ,又是被測量的傳輸介質。又是被測量的傳輸介質。優(yōu)點優(yōu)點: :可在很大的空間范圍內連續(xù)的進行傳感可在很大的空間范圍內連續(xù)的進行傳感, ,是其突出優(yōu)是其突出優(yōu)點。點。傳感和傳光為同一根光纖，傳感部分結構簡單，使傳感和傳光為同一根光纖，傳感部分結構簡單，

2、使用方便。用方便。與點式傳感器相比，單位長度內信息獲取成本大大與點式傳感器相比，單位長度內信息獲取成本大大降低，性價比高。降低，性價比高。2021/3/263 3分布式光纖傳感器的特征參量分布式光纖傳感器的特征參量空間分辨率空間分辨率指分布式光纖傳感器對沿光纖長度分布的被測量進指分布式光纖傳感器對沿光纖長度分布的被測量進行測量時所能分辨的最小空間距離。行測量時所能分辨的最小空間距離。時間分辨率時間分辨率指分布式光纖傳感器對被測量監(jiān)測時指分布式光纖傳感器對被測量監(jiān)測時, ,達到被測量的達到被測量的分辨率所需的時間。分辨率所需的時間。被測量分辨率被測量分辨率指分布式光纖傳感器對被測量能正確測量的程

3、度。指分布式光纖傳感器對被測量能正確測量的程度。以上三個分辨率之間有相互制約的關系。以上三個分辨率之間有相互制約的關系。2021/3/264 4典型的分布式光纖傳感器典型的分布式光纖傳感器4-1 4-1 相位調制型傳感器相位調制型傳感器Mach-ZehnderMach-Zehnder干涉式傳感器干涉式傳感器SagnacSagnac干涉式傳感器干涉式傳感器4-2 4-2 散射型傳感器散射型傳感器布里淵散射型光纖傳感器布里淵散射型光纖傳感器拉曼散射型光纖傳感器拉曼散射型光纖傳感器2021/3/265 5M-ZM-Z干涉型光纖傳感器的信號處理干涉型光纖傳感器的信號處理信號處理的目標信號處理的目標1)

4、.1).對干擾事件進行定性對干擾事件進行定性通過解調獲得干擾臂的相位變化通過解調獲得干擾臂的相位變化, ,進而根據相位進而根據相位變化情況分析干擾產生原因。變化情況分析干擾產生原因。利用利用3 3* *3 3耦合器解調原理圖耦合器解調原理圖2021/3/266 6M-ZM-Z干涉型光纖傳感器的信號處理干涉型光纖傳感器的信號處理通過順時針和逆時針傳輸的相位受干擾光通過順時針和逆時針傳輸的相位受干擾光信號到達信號到達A A點和點和B B點的時延差可計算出產點的時延差可計算出產生干擾的位置。生干擾的位置。A A點和點和B B點分別對應點分別對應M-ZM-Z干干涉儀兩個耦合器的位置。涉儀兩個耦合器的位

5、置。P P點是干擾發(fā)生的位置點是干擾發(fā)生的位置使用時使干涉儀使用時使干涉儀兩臂中同時存在兩臂中同時存在順時針和逆時針順時針和逆時針傳輸的光傳輸的光(2 )/TLZ V 信號處理的目標信號處理的目標2).2).對干擾事件進行定位對干擾事件進行定位（適用于周界監(jiān)控及管道監(jiān)控等應用）（適用于周界監(jiān)控及管道監(jiān)控等應用）2021/3/267 7耦合器耦合器C2C2和和C3C3構成構成M-ZM-Z干涉儀干涉儀在計算機中對在計算機中對PD1PD1和和PD2PD2接接收到的光信號進行互相關計收到的光信號進行互相關計算算, ,就可以獲得干擾出現(xiàn)的時就可以獲得干擾出現(xiàn)的時延差延差, ,繼而實現(xiàn)干擾定位繼而實現(xiàn)干擾

6、定位利用M-Z干涉儀進行分布式傳感的系統(tǒng)結構圖2021/3/268 8(2) (2) 光纖光纖SAGNAC干涉型分布式傳感器干涉型分布式傳感器激光器發(fā)出的光經耦合器分為兩束分別耦合進由同一光激光器發(fā)出的光經耦合器分為兩束分別耦合進由同一光纖構成的光纖環(huán)中纖構成的光纖環(huán)中, ,沿相反方向傳輸沿相反方向傳輸, ,并于耦合器處再次并于耦合器處再次發(fā)生干涉。發(fā)生干涉。當傳感光纖沒有受到干擾時當傳感光纖沒有受到干擾時, ,干涉現(xiàn)象趨于穩(wěn)定干涉現(xiàn)象趨于穩(wěn)定; ;受到外受到外界干擾時，正反向兩光束會產生不同的相移，并于耦合界干擾時，正反向兩光束會產生不同的相移，并于耦合器處發(fā)生干涉，干涉信號的光強與干擾發(fā)生

7、位置具有一器處發(fā)生干涉，干涉信號的光強與干擾發(fā)生位置具有一定關系。定關系。R1 R2 SagnacSagnac干涉儀的另一個典型應用是干涉儀的另一個典型應用是光纖陀螺光纖陀螺, ,即當環(huán)形光路有轉動時即當環(huán)形光路有轉動時, ,順逆時針的光會有非互易性的光程順逆時針的光會有非互易性的光程差差, ,可用于轉動傳感可用于轉動傳感2021/3/269 9光纖光纖SAGNAC干涉型分布式傳感器定位原干涉型分布式傳感器定位原理理當干擾源信號是正弦信號（或形如正弦信號）時當干擾源信號是正弦信號（或形如正弦信號）時, ,接接收信號的功率幅值為收信號的功率幅值為00sin()2ssPP零點頻率發(fā)生在零點頻率發(fā)生

8、在 0, ,.2sN ,12(2)s nulls nullNcfn LR干擾源位置干擾源位置R1R1與第與第N N個零頻之間的關系為個零頻之間的關系為通過分析接收光通過分析接收光信號的零頻點位信號的零頻點位置即可獲得干擾置即可獲得干擾源的位置源的位置2112()/n RRc （上）有干擾時光強信號的理論計算值（下）實驗值（上）有干擾時光強信號的理論計算值（下）實驗值2021/3/2610102 2 散射型光纖傳感器散射型光纖傳感器利用背向瑞利散射利用背向瑞利散射OTDROTDR利用布里淵散射利用布里淵散射B-OTDRB-OTDR、 B-OTDA B-OTDA利用拉曼散射利用拉曼散射R-OTDR

9、R-OTDR2021/3/261111(1)(1)光纖中的背向散射光分析光纖中的背向散射光分析布里淵散射和拉曼散射布里淵散射和拉曼散射在散射前后有頻移在散射前后有頻移, ,是非是非彈性散射彈性散射斯托克斯光反斯托克斯光2021/3/261212(2)BOTDR(2)BOTDR光時域布里淵散射光纖傳感器光時域布里淵散射光纖傳感器布里淵散射產生機理布里淵散射產生機理是入射光與聲波或傳播的壓力波相互作用的結果是入射光與聲波或傳播的壓力波相互作用的結果, ,這個傳這個傳播的壓力波等效于一個以一定速度移動的密度光柵。因此播的壓力波等效于一個以一定速度移動的密度光柵。因此布里淵散射可以看成是入射光在移動光

10、柵上的散射。布里淵散射可以看成是入射光在移動光柵上的散射。多普勒效應使散射光頻率不同于入射光。多普勒效應使散射光頻率不同于入射光。2021/3/261313BOTDRBOTDR布里淵散射布里淵散射量子光學描述量子光學描述: :入射光波（泵浦）與介質內彈性聲波入射光波（泵浦）與介質內彈性聲波場作用中場作用中, ,一泵浦光子湮滅產生一聲學聲子和散射一泵浦光子湮滅產生一聲學聲子和散射(Stokes)(Stokes)光子。光子。散射光與泵浦波的傳播方向相反散射光與泵浦波的傳播方向相反, ,與入射波的頻移（與入射波的頻移（在在1.55mm1.55mm處）約為處）約為:f :fB B=11.1GHZ=11

11、.1GHZ。分為自發(fā)布里淵散射和受激布里淵散射兩種分為自發(fā)布里淵散射和受激布里淵散射兩種2021/3/261414BOTDRBOTDR傳感原理傳感原理布里淵散射斯托克斯光相對于入射光的頻移為布里淵散射斯托克斯光相對于入射光的頻移為: :cnvvvsB02介質折射率介質折射率入射光頻率入射光頻率介質中聲速介質中聲速)21)(1 ()1 (kkEkvs介質的楊氏模量介質的楊氏模量介質密度介質密度泊松比泊松比溫度溫度應力應力熱光效應熱光效應彈光效應彈光效應折射率折射率變化變化聲速聲速變化變化調制介質的調制介質的E E、k k、密度、密度布里淵頻布里淵頻移變化移變化2021/3/261515BOTDR

12、BOTDR傳感原理傳感原理布里淵散射光頻移會隨著溫度和光纖應變的上升布里淵散射光頻移會隨著溫度和光纖應變的上升而線性增加而線性增加: : fB=fB0+ f TT()+ f () 布里淵散射光功率會隨溫度的上升而線性增加布里淵散射光功率會隨溫度的上升而線性增加, ,隨隨應變增加而線性下降應變增加而線性下降: : PB=PB0+ P TT()+ P ()通過測量布里淵通過測量布里淵散射光散射光頻移頻移和光功率和光功率, ,就可以求得被測量就可以求得被測量點的溫度和應力的大小。點的溫度和應力的大小。 通過測量布里淵通過測量布里淵散射光散射光頻移頻移和光功率和光功率, ,就可以求得被測量就可以求得被

13、測量點的溫度和應力的大小。點的溫度和應力的大小。 2021/3/261616ROTDR ROTDR 時域背向拉曼散射分布式光纖傳感器時域背向拉曼散射分布式光纖傳感器當光纖局域位置當光纖局域位置(L=L(L=Lo o處處) )的溫度變化時的溫度變化時, ,調制了光纖拉調制了光纖拉曼散射光子通量曼散射光子通量, ,也就是光纖拉曼背向散射的溫度調也就是光纖拉曼背向散射的溫度調制機理。制機理。反斯托克斯拉曼散射對溫度的敏感系數比斯托克斯反斯托克斯拉曼散射對溫度的敏感系數比斯托克斯拉曼散射要大得多。因此通常都將反斯托克斯拉曼拉曼散射要大得多。因此通常都將反斯托克斯拉曼散射用作信號通道散射用作信號通道,

14、,作為計算溫度的主要依據。作為計算溫度的主要依據。30 km30 km的的FGC-30FGC-30拉曼測溫系統(tǒng)，其空間分辨率為拉曼測溫系統(tǒng)，其空間分辨率為3m3m、溫度分辨率為溫度分辨率為0.10.1、測溫范圍為、測溫范圍為0 0+100+1002021/3/261717測溫原理測溫原理Is斯托克斯光光強斯托克斯光光強反斯托克斯光光強反斯托克斯光光強溫度變化溫度變化斯托克斯光斯托克斯光: :波長大于入射光波長大于入射光反斯托克斯光反斯托克斯光: :波長小于入射光波長小于入射光測溫原理測溫原理:Ias/Isae-kcv/kTIasIs不變不變Ias變化變化2021/3/261818同步控制光源恒

15、溫耦合器耦合器濾波器濾波器探測器數據采集與處理后臺控制StokesAnti-Stokes傳感光纖測溫區(qū)域2021/3/261919拉曼散射強度比瑞利散射強度低拉曼散射強度比瑞利散射強度低2030dBm,2030dBm,要求脈要求脈沖峰值功率很高沖峰值功率很高; ;拉曼散射只受到環(huán)境溫度的影響拉曼散射只受到環(huán)境溫度的影響, ,而對應力變化不而對應力變化不敏感敏感; ;相對基于喇曼散射的傳感系統(tǒng)來說相對基于喇曼散射的傳感系統(tǒng)來說,基于布里淵散射的傳感系統(tǒng)基于布里淵散射的傳感系統(tǒng):1）它能同時對溫度和應力進行探測）它能同時對溫度和應力進行探測;2）探測作用距離遠）探測作用距離遠,能達到能達到100公

16、里公里, 空間分辨率達到空間分辨率達到5米米;3）成本費用低。）成本費用低。2021/3/262020BOTDRBOTDR布里淵頻移系數布里淵頻移系數對于溫度的布里淵頻移系數是對于溫度的布里淵頻移系數是1.22M/度（度（1310nm）,1M/度（度（1550nm）對于應力的布里淵頻移系數是對于應力的布里淵頻移系數是581M/%（1310nm）,493M/%（1550nm）溫度的影響較小溫度的影響較小。2021/3/262121BOTDRBOTDR與與BOTDA( BOTDA( BRILLOUIN OPTICAL TIME DOMAIN BRILLOUIN OPTICAL TIME DOMAI

17、N ANALYSISANALYSIS) )BOTDRBOTDR系統(tǒng)從一端輸入泵浦脈系統(tǒng)從一端輸入泵浦脈沖沖, ,在同一端檢測返回信號的中在同一端檢測返回信號的中心波長和功率。使用方便心波長和功率。使用方便, ,但自但自發(fā)布里淵散射信號很微弱發(fā)布里淵散射信號很微弱, ,檢測檢測困難。困難。在在BOTDABOTDA中中, ,處于光纖兩端的可處于光纖兩端的可調諧激光器分別將一脈沖光（泵調諧激光器分別將一脈沖光（泵浦光）與一連續(xù)光（探測光）注浦光）與一連續(xù)光（探測光）注入傳感光纖。利用受激布里淵散入傳感光纖。利用受激布里淵散射效應射效應, ,散射光強度更強散射光強度更強2021/3/262222BOT

18、DRBOTDR定位原理定位原理對一定頻譜范圍連續(xù)不斷的進行循環(huán)掃描對一定頻譜范圍連續(xù)不斷的進行循環(huán)掃描, ,獲得各個時間段上的光譜獲得各個時間段上的光譜, ,并將時間與位并將時間與位置相對應置相對應, ,即可獲得沿光纖各位置處的布即可獲得沿光纖各位置處的布里淵頻譜圖，并獲得異常的布里淵頻移量里淵頻譜圖，并獲得異常的布里淵頻移量和散射光功率。和散射光功率。2021/3/2623232021/3/262424BOTDRBOTDR優(yōu)缺點優(yōu)缺點優(yōu)點優(yōu)點: :1. 1. 連續(xù)分布式測量溫度和應變連續(xù)分布式測量溫度和應變2. 2. 高溫度和應變分辨率高溫度和應變分辨率4. 4. 高空間分辨率高空間分辨率5

19、. 5. 超長傳感范圍超長傳感范圍( (超過超過8080公里公里) )6. 6. 同一根光纖既可用于傳感同一根光纖既可用于傳感, ,也可用于通信也可用于通信缺點缺點: :需要激光器的輸出穩(wěn)定、線寬窄需要激光器的輸出穩(wěn)定、線寬窄, ,對光源和控制系統(tǒng)的對光源和控制系統(tǒng)的要求很高要求很高; ;由于自發(fā)布里淵散射相當微弱（比瑞利散射約小兩個由于自發(fā)布里淵散射相當微弱（比瑞利散射約小兩個數量級）數量級）, ,檢測比較困難，要求信號處理系統(tǒng)具有較高檢測比較困難，要求信號處理系統(tǒng)具有較高的信噪比的信噪比; ;由于在檢測過程中需進行大量的信號加法平均、頻率由于在檢測過程中需進行大量的信號加法平均、頻率的掃描

20、等處理的掃描等處理, ,因而實現(xiàn)一次完整的測量需較長的時間因而實現(xiàn)一次完整的測量需較長的時間, ,實時性不夠好。實時性不夠好。2021/3/262525檢測檢測30km 30km 光纖沿線的應變光纖沿線的應變, ,空間分辨力可達空間分辨力可達1m1m。應變精度應變精度: 20 e (0.002%): 20 e (0.002%)溫度精度溫度精度 : 1: 1C C取樣時間取樣時間 : 20 s : 20 s 至至 5 min (5 min (典型值典型值:2 min) :2 min) 2021/3/262626（3 3）ROTDRROTDR光時域拉曼散射光纖傳感器光時域拉曼散射光纖傳感器拉曼散射

21、產生機理拉曼散射產生機理: :在任何分子介質中在任何分子介質中, ,光通過介質時由于入射光與分子運光通過介質時由于入射光與分子運動相互作用會引起的頻率發(fā)生變化的散射動相互作用會引起的頻率發(fā)生變化的散射, ,此過程為拉此過程為拉曼散射曼散射量子力學描述量子力學描述: :分子吸收頻率為分子吸收頻率為 V V0 0的光子的光子, ,發(fā)射發(fā)射V V0 0-V-Vi i的光的光子，同時分子從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)（對應斯托克斯光子，同時分子從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)（對應斯托克斯光）; ;分子吸收頻率為分子吸收頻率為V V0 0的光子，發(fā)射的光子，發(fā)射V V0 0+V+Vi i的光子，同時的光子，同時分子從高能態(tài)

22、躍遷到低能態(tài)（反斯托克斯光）。分子從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)（反斯托克斯光）。2021/3/262727ROTDRROTDR傳感原理傳感原理拉曼散射由分子熱運動引起拉曼散射由分子熱運動引起, ,所以拉曼散射光可所以拉曼散射光可以攜帶散射點的溫度信息。以攜帶散射點的溫度信息。反斯托克斯光的幅度強烈依賴于溫度反斯托克斯光的幅度強烈依賴于溫度, ,而斯托克而斯托克斯光則不是。斯光則不是。則通過測量斯托克斯光與反斯托則通過測量斯托克斯光與反斯托克斯光的功率比克斯光的功率比, ,可以探測到溫度的變化?？梢蕴綔y到溫度的變化。由于自發(fā)拉曼散射光一般很弱，比自發(fā)布里淵由于自發(fā)拉曼散射光一般很弱，比自發(fā)布里淵散射光還

23、弱散射光還弱10dB10dB，所以必須采用高輸入功率，所以必須采用高輸入功率，且需對探測到的后向散射光信號取較長時間內且需對探測到的后向散射光信號取較長時間內的平均值。的平均值。此方法上世紀此方法上世紀8080年代就已被提出，并商用化。年代就已被提出，并商用化。2021/3/262828ROTDRROTDR傳感原理傳感原理基于自發(fā)拉曼散射的分布式光纖溫度傳感器原理光纖中自發(fā)拉曼散射的反斯托克斯光與溫度緊密光纖中自發(fā)拉曼散射的反斯托克斯光與溫度緊密相關。常溫下相關。常溫下(T=300K)(T=300K)其溫敏系數為其溫敏系數為8/8/。 采用反斯托采用反斯托克斯與斯托克斯比值的分布式光纖溫度測量

24、克斯與斯托克斯比值的分布式光纖溫度測量, ,其結果消除了其結果消除了光源波動、光纖彎曲等因素的影響光源波動、光纖彎曲等因素的影響, ,只與沿光纖的溫度場有只與沿光纖的溫度場有關關, ,因此可長時間保證測溫精度。因此可長時間保證測溫精度。2021/3/262929幾種散射式傳感技術的比較幾種散射式傳感技術的比較應用場合應用場合優(yōu)點優(yōu)點缺點缺點OTDROTDR斷點、損斷點、損傷檢測傷檢測連續(xù)顯示衰減情連續(xù)顯示衰減情況況有盲區(qū)有盲區(qū)BOTDRBOTDR應力、溫應力、溫度度測量精度和分辨測量精度和分辨率高率高要求極窄線寬、可調線要求極窄線寬、可調線寬激光器；交叉干擾；寬激光器；交叉干擾；功率低功率低B

25、OTDABOTDA應力、溫應力、溫度度測量精度和分辨測量精度和分辨率高，大動態(tài)范率高，大動態(tài)范圍圍系統(tǒng)復雜；兩端測量；系統(tǒng)復雜；兩端測量；不能檢測斷點；交叉干不能檢測斷點；交叉干擾擾ROTDRROTDR溫度溫度較高測溫精度較高測溫精度返回的信號弱，大功率返回的信號弱，大功率光源光源2021/3/263030(5)(5)分布式光纖傳感技術的應用分布式光纖傳感技術的應用2021/3/263131分布式光纖傳感技術的應用分布式光纖傳感技術的應用周界防護周界防護光纜傳感監(jiān)控系統(tǒng)工程施工實例根據防范的不同場合和要求根據防范的不同場合和要求, ,光纖可以構成各種形狀光纖可以構成各種形狀, ,環(huán)置環(huán)置于需要防范的周界處的適當于需要防范的周界處的適當位置位置, ,當入侵者侵入時，系統(tǒng)當入侵者侵入時，系統(tǒng)都會發(fā)出告警信號都會發(fā)出告警信號2021/3/263232光波所為國慶光波所為國慶6060周年通州閱兵村提供的光周年通州閱兵村提供的光纜預警系統(tǒng)采用的就是分布式光纖傳感技術纜預警系統(tǒng)采用的就是分布式光纖傳感技術2021/3/263333分布式光纖傳感技術用于航空領域的多參量監(jiān)測分布式光纖傳感技術用于航空領域的多參量監(jiān)測太空飛船太空飛