分布式光纖傳感技術(shù)

1、分布式光纖傳感技術(shù)1 1分布式光纖傳感分布式光纖傳感技術(shù)與應(yīng)用技術(shù)與應(yīng)用2 2分布式光纖傳感技術(shù)內(nèi)容概要內(nèi)容概要光纖傳感技術(shù)簡介光纖傳感技術(shù)簡介光纖傳感器的分類光纖傳感器的分類光纖傳感技術(shù)的發(fā)展光纖傳感技術(shù)的發(fā)展分布式光纖傳感技術(shù)分布式光纖傳感技術(shù)相位調(diào)制型分布式傳感器相位調(diào)制型分布式傳感器散射型分布式傳感器散射型分布式傳感器分布式光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用分布式光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用3 3分布式光纖傳感技術(shù)一一 光纖傳感技術(shù)簡介光纖傳感技術(shù)簡介光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)。纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)。同時具有光纖及光學(xué)測量的特點：同時

2、具有光纖及光學(xué)測量的特點：電絕緣性能好。電絕緣性能好。抗電磁干擾能力強?？闺姶鸥蓴_能力強。非侵入性。非侵入性。高靈敏度。高靈敏度。容易實現(xiàn)對被測信號的遠(yuǎn)距離監(jiān)控。容易實現(xiàn)對被測信號的遠(yuǎn)距離監(jiān)控。光纖傳感器可測量位移、速度、加速度、液光纖傳感器可測量位移、速度、加速度、液位、應(yīng)變、壓力、流量、振動、溫度、電流位、應(yīng)變、壓力、流量、振動、溫度、電流、電壓、磁場等物理量、電壓、磁場等物理量4 4分布式光纖傳感技術(shù)二二 光纖傳感器的分類光纖傳感器的分類根據(jù)光纖在傳感器中的作用根據(jù)光纖在傳感器中的作用可分為功能型、非功能型和拾光型三大類可分為功能型、非功能型和拾光型三大類根據(jù)光受被測對象的調(diào)制形式根據(jù)光

3、受被測對象的調(diào)制形式可分為：強度調(diào)制型、可分為：強度調(diào)制型、相位調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏振調(diào)制偏振調(diào)制型型、頻率調(diào)制頻率調(diào)制型四大類型四大類根據(jù)光是否發(fā)生干涉根據(jù)光是否發(fā)生干涉可分為干涉型和非干涉型可分為干涉型和非干涉型根據(jù)是否能夠隨距離的增加連續(xù)地監(jiān)測被測量根據(jù)是否能夠隨距離的增加連續(xù)地監(jiān)測被測量可分為分布式和點式可分為分布式和點式5 5分布式光纖傳感技術(shù)1.1.根據(jù)光纖在傳感器中的作用分類根據(jù)光纖在傳感器中的作用分類功能型（全光纖型）光纖傳感器功能型（全光纖型）光纖傳感器利用對外界信息具有敏感能力和檢測能力的光纖利用對外界信息具有敏感能力和檢測能力的光纖(或特殊光或特殊光纖纖)作傳感元件，將

4、作傳感元件，將“傳傳”和和“感感”合為一體。合為一體。非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器光纖僅起導(dǎo)光作用，只光纖僅起導(dǎo)光作用，只“傳傳”不不“感感”，對外界信息的，對外界信息的“感覺感覺”功能依靠其他物理性質(zhì)的功能元件完成。功能依靠其他物理性質(zhì)的功能元件完成。拾光型光纖傳感器拾光型光纖傳感器用光纖作為探頭，接收由被測對象輻射的光或被其反射、用光纖作為探頭，接收由被測對象輻射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纖激光多普勒速度計、輻射式散射的光。其典型例子如光纖激光多普勒速度計、輻射式光纖溫度傳感器等。光纖溫度傳感器等。 信號處理光受信器光發(fā)送器光纖耦合器被測對

5、象6 6分布式光纖傳感技術(shù)2.2.根據(jù)光受被測對象的調(diào)制形式分類根據(jù)光受被測對象的調(diào)制形式分類光纖傳感是對光波的參量進行調(diào)制光纖傳感是對光波的參量進行調(diào)制 可調(diào)制參量：可調(diào)制參量：強度調(diào)制型光纖傳感器強度調(diào)制型光纖傳感器是一種利用被測對象的變化引起敏感元件的折射率、吸收或反是一種利用被測對象的變化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等參數(shù)的變化，而導(dǎo)致光強度變化來實現(xiàn)敏感測量的傳感器。射等參數(shù)的變化，而導(dǎo)致光強度變化來實現(xiàn)敏感測量的傳感器。相位調(diào)制傳感器相位調(diào)制傳感器其基本原理是利用被測對象對敏感元件的作用，使敏感元件的其基本原理是利用被測對象對敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化

6、，而導(dǎo)致光的相位變化，進而使兩折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，而導(dǎo)致光的相位變化，進而使兩束單色光所產(chǎn)生的干涉效果發(fā)生變化，通過檢測干涉效果的變束單色光所產(chǎn)生的干涉效果發(fā)生變化，通過檢測干涉效果的變化量來確定光的相位變化量，從而得到被測對象的信息。化量來確定光的相位變化量，從而得到被測對象的信息。）（kztEEcos0kztkE,07 7分布式光纖傳感技術(shù)根據(jù)光受被測對象的調(diào)制形式分類根據(jù)光受被測對象的調(diào)制形式分類頻率調(diào)制光纖傳感器頻率調(diào)制光纖傳感器是一種利用單色光射到被測物體上反射回來的光是一種利用單色光射到被測物體上反射回來的光的頻率發(fā)生變化來進行監(jiān)測的傳感器。的頻率發(fā)生變化來進行監(jiān)測的傳感器。

7、偏振調(diào)制光纖傳感器偏振調(diào)制光纖傳感器是一種利用光偏振態(tài)變化來傳遞被測對象信息的是一種利用光偏振態(tài)變化來傳遞被測對象信息的傳感器。傳感器。分布式光纖傳感技術(shù)8 8傳感器傳感器光學(xué)現(xiàn)象光學(xué)現(xiàn)象被測量被測量光纖光纖分類分類干涉型相位調(diào)制型彈光效應(yīng)Sagnac效應(yīng)電、磁致伸縮振動、壓力、加速度、位移角速度電場、電壓、電流、磁場SM、PMSM、PMSM、PMaaa非 干 涉 型強度調(diào)制型遮光板遮斷光路光纖微彎損耗氣體分子吸收位移振動、壓力、加速度、位移氣體濃度MMSMMMbbb偏振調(diào)制型法拉第效應(yīng)泡克爾斯效應(yīng)雙折射變化電流、磁場電場、電壓、溫度SMMMSMb,abb頻率調(diào)制型多普勒效應(yīng)拉曼散射布里淵散射

8、速度、流速、振動、加速度溫度溫度、應(yīng)力MMMMMMcaa光纖傳感器的分類光纖傳感器的分類注：MM多模；SM單模；PM偏振保持；a,b,c：功能型、非功能型、拾光型9 9分布式光纖傳感技術(shù)三三 光纖傳感技術(shù)的發(fā)展光纖傳感技術(shù)的發(fā)展1. 1. 進入實用化階段，逐步形成傳感領(lǐng)域的一個新進入實用化階段，逐步形成傳感領(lǐng)域的一個新的分支。的分支。不少光纖傳感器以其特有的優(yōu)點，替代或更新了傳統(tǒng)的不少光纖傳感器以其特有的優(yōu)點，替代或更新了傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)，如光纖陀螺、光纖水聽器等；測試系統(tǒng)，如光纖陀螺、光纖水聽器等；出現(xiàn)一些應(yīng)用光纖傳感技術(shù)的新型測試系統(tǒng)，如分布式出現(xiàn)一些應(yīng)用光纖傳感技術(shù)的新型測試系統(tǒng)，如分布式

9、光纖測溫系統(tǒng)、以光纖光柵為主的光纖智能結(jié)構(gòu)；光纖測溫系統(tǒng)、以光纖光柵為主的光纖智能結(jié)構(gòu)；改造了傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)，如利用電改造了傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)，如利用電/ /光轉(zhuǎn)換和光光轉(zhuǎn)換和光/ /電轉(zhuǎn)換電轉(zhuǎn)換技術(shù)以及光纖傳輸技術(shù)，把傳統(tǒng)的電子式測量儀表改造技術(shù)以及光纖傳輸技術(shù)，把傳統(tǒng)的電子式測量儀表改造成安全可靠的先進光纖式儀表等。許多特殊場合核工成安全可靠的先進光纖式儀表等。許多特殊場合核工業(yè)、化工和石油鉆探中也都應(yīng)用了光纖傳感系統(tǒng)。業(yè)、化工和石油鉆探中也都應(yīng)用了光纖傳感系統(tǒng)。根據(jù)市場調(diào)查分析公司根據(jù)市場調(diào)查分析公司BusinessCommunicationsCompanyBusinessCommunica

10、tionsCompany發(fā)布的關(guān)于光纖傳感器的市場報告，從發(fā)布的關(guān)于光纖傳感器的市場報告，從20052005年到年到20112011年年，全球光纖傳感器（，全球光纖傳感器（FOSFOS）的整體市場將保持適度增長）的整體市場將保持適度增長態(tài)勢，預(yù)計平均年復(fù)合增長率為態(tài)勢，預(yù)計平均年復(fù)合增長率為4.1%4.1%，至，至20112011年，全球年，全球產(chǎn)值將達(dá)為產(chǎn)值將達(dá)為3.723.72億美元。億美元。 1010分布式光纖傳感技術(shù)光纖傳感技術(shù)的發(fā)展光纖傳感技術(shù)的發(fā)展2. 2.新的傳感技術(shù)不斷出現(xiàn)，促進了相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的新的傳感技術(shù)不斷出現(xiàn)，促進了相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展。發(fā)展。例如，光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，促進

11、了智能材料和智能結(jié)例如，光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，促進了智能材料和智能結(jié)構(gòu)的發(fā)展；光子晶體光纖用于傳感的可能性促進了光子構(gòu)的發(fā)展；光子晶體光纖用于傳感的可能性促進了光子晶體的發(fā)展等。晶體的發(fā)展等。智能材料是指將敏感元件嵌入被測構(gòu)件機體和材料中，智能材料是指將敏感元件嵌入被測構(gòu)件機體和材料中，從而在構(gòu)件或材料常規(guī)工作的同時實現(xiàn)對其安全運轉(zhuǎn)、從而在構(gòu)件或材料常規(guī)工作的同時實現(xiàn)對其安全運轉(zhuǎn)、故障等的實時監(jiān)控。其中，光纖和電導(dǎo)線與多種材料的故障等的實時監(jiān)控。其中，光纖和電導(dǎo)線與多種材料的有效結(jié)合是關(guān)鍵問題之一。有效結(jié)合是關(guān)鍵問題之一。1111分布式光纖傳感技術(shù)光纖傳感技術(shù)的發(fā)展光纖傳感技術(shù)的發(fā)展智能背心智能

12、背心這是一件嵌入了光這是一件嵌入了光纖和電導(dǎo)線的背心，纖和電導(dǎo)線的背心，能夠感知環(huán)境溫度能夠感知環(huán)境溫度及化學(xué)成分的變化，及化學(xué)成分的變化，用于醫(yī)學(xué)和軍事應(yīng)用于醫(yī)學(xué)和軍事應(yīng)用。用。埋入了六根光埋入了六根光纖的紡織品纖的紡織品1212分布式光纖傳感技術(shù)光纖傳感技術(shù)的發(fā)展光纖傳感技術(shù)的發(fā)展3 3 原理性研究仍處于重要位置原理性研究仍處于重要位置由于很多光纖傳感器的開發(fā)是以取代當(dāng)前已被廣泛采用由于很多光纖傳感器的開發(fā)是以取代當(dāng)前已被廣泛采用的傳統(tǒng)機電傳感系統(tǒng)為目的，所以盡管光纖傳感器具有的傳統(tǒng)機電傳感系統(tǒng)為目的，所以盡管光纖傳感器具有諸多優(yōu)勢，其市場滲透所面臨的困難和挑戰(zhàn)仍很巨大。諸多優(yōu)勢，其市場滲

13、透所面臨的困難和挑戰(zhàn)仍很巨大。而那些具有前所未有全新功能的光纖傳感器則在競爭中而那些具有前所未有全新功能的光纖傳感器則在競爭中占有明顯優(yōu)勢。占有明顯優(yōu)勢。4 4 相關(guān)的應(yīng)用開發(fā)也還任重道遠(yuǎn)相關(guān)的應(yīng)用開發(fā)也還任重道遠(yuǎn)在很多領(lǐng)域，光纖傳感技術(shù)尚未實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，許多關(guān)鍵在很多領(lǐng)域，光纖傳感技術(shù)尚未實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，許多關(guān)鍵技術(shù)仍然停留在實驗室樣機階段，距商業(yè)化還有一定的技術(shù)仍然停留在實驗室樣機階段，距商業(yè)化還有一定的距離。距離。1313分布式光纖傳感技術(shù)四四 分布式光纖傳感技術(shù)分布式光纖傳感技術(shù)利用光波在光纖中傳輸?shù)奶匦?，可沿光纖長度利用光波在光纖中傳輸?shù)奶匦?，可沿光纖長度方向連續(xù)的傳感被測量（如溫度、壓力

14、、應(yīng)力方向連續(xù)的傳感被測量（如溫度、壓力、應(yīng)力和應(yīng)變等）和應(yīng)變等）光纖既是傳感介質(zhì)，又是被測量的傳輸介質(zhì)。光纖既是傳感介質(zhì)，又是被測量的傳輸介質(zhì)。優(yōu)點：優(yōu)點：可在很大的空間范圍內(nèi)連續(xù)的進行傳感，是其突出可在很大的空間范圍內(nèi)連續(xù)的進行傳感，是其突出優(yōu)點。優(yōu)點。傳感和傳光為同一根光纖，傳感部分結(jié)構(gòu)簡單，使傳感和傳光為同一根光纖，傳感部分結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。用方便。與點式傳感器相比，單位長度內(nèi)信息獲取成本大大與點式傳感器相比，單位長度內(nèi)信息獲取成本大大降低，性價比高。降低，性價比高。1414分布式光纖傳感技術(shù)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

15、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，達(dá)到被測量指分布式光纖傳感器對被測量監(jiān)測時，達(dá)到被測量的分辨率所需的時間。的分辨率所需的時間。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(guān)系。以上三個分辨率之間有相互制約的關(guān)系。1515分布式光纖傳感技術(shù)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(diào)制型傳感器相位調(diào)制型傳感器Mach-Zehn

16、derMach-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分布式光纖傳感技術(shù)相位調(diào)制型光纖傳感器相位調(diào)制型光纖傳感器相位調(diào)制相位調(diào)制 當(dāng)光纖受到機械應(yīng)力作用時，光纖的長度、芯徑、當(dāng)光纖受到機械應(yīng)力作用時，光纖的長度、芯徑、纖芯折射率都將發(fā)生變化，這些變化將導(dǎo)致光波纖芯折射率都將發(fā)生變化，這些變化將導(dǎo)致光波的相位變化的相位變化. .LLneff2/2effn是光在光纖中的傳播常數(shù)是光在光纖中的傳播常數(shù)由于相位變化很難直接檢測，所以

17、實由于相位變化很難直接檢測，所以實際中通常使光發(fā)生干涉，將相位的變際中通常使光發(fā)生干涉，將相位的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈴姷淖兓M行檢測，之后化轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈴姷淖兓M行檢測，之后再解調(diào)獲得相位變化再解調(diào)獲得相位變化分布式光纖傳感技術(shù)光的干涉1r2r光的干涉條件：光的干涉條件： 相干光源相干光源S S1 1、S S2 2發(fā)出的光發(fā)出的光波在空間波在空間P P點相遇，兩列波點相遇，兩列波在在P P點的干涉本質(zhì)上是兩個點的干涉本質(zhì)上是兩個同方向、同頻率的電磁簡同方向、同頻率的電磁簡諧振動的疊加。諧振動的疊加。)cos()cos(222111tkraEtkraE1818分布式光纖傳感技術(shù)(1)M-Z(1)M-Z干涉型

18、光纖傳感器用作分布式振動傳感干涉型光纖傳感器用作分布式振動傳感212cross()cos2LLT隨機干擾隨機干擾干涉臂相位的隨機變化干涉臂相位的隨機變化干涉儀輸出功率的隨機變化干涉儀輸出功率的隨機變化以以M-ZM-Z干涉儀作為周界監(jiān)干涉儀作為周界監(jiān)控系統(tǒng)時，入侵事件出控系統(tǒng)時，入侵事件出現(xiàn)將導(dǎo)致接收信號功率現(xiàn)將導(dǎo)致接收信號功率的變化的變化1919分布式光纖傳感技術(shù)M-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(biāo)信號處理的目標(biāo)1).1).對干擾事件進行定性對干擾事件進行定性通過解調(diào)獲得干擾臂的相位變化，進而根據(jù)相通過解調(diào)獲得干擾臂的相位變化，進而根據(jù)相位變化情況分析

19、干擾產(chǎn)生原因。位變化情況分析干擾產(chǎn)生原因。利用利用3 3* *3 3耦合器解調(diào)原理圖耦合器解調(diào)原理圖2020分布式光纖傳感技術(shù)M-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?shù)南辔皇芨蓴_光通過順時針和逆時針傳輸?shù)南辔皇芨蓴_光信號到達(dá)信號到達(dá)A A點和點和B B點的時延差可計算出產(chǎn)點的時延差可計算出產(chǎn)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(yīng)點分別對應(yīng)M-ZM-Z干干涉儀兩個耦合器的位置。涉儀兩個耦合器的位置。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?shù)墓?/p>

20、傳輸?shù)墓?2 )/TLZ V 信號處理的目標(biāo)信號處理的目標(biāo)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(yīng)用）（適用于周界監(jiān)控及管道監(jiān)控等應(yīng)用）2121分布式光纖傳感技術(shù)耦合器耦合器C2C2和和C3C3構(gòu)成構(gòu)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(guān)計收到的光信號進行互相關(guān)計算，就可以獲得干擾出現(xiàn)的算，就可以獲得干擾出現(xiàn)的時延差，繼而實現(xiàn)干擾定位時延差，繼而實現(xiàn)干擾定位利用M-Z干涉儀進行分布式傳感的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2222分布式光纖傳感技術(shù)(2) (2) 光纖光纖SAGNAC干涉型分布式傳感器干涉型分布式傳

21、感器激光器發(fā)出的光經(jīng)耦合器分為兩束分別耦合進由同一激光器發(fā)出的光經(jīng)耦合器分為兩束分別耦合進由同一光纖構(gòu)成的光纖環(huán)中，沿相反方向傳輸，并于耦合器光纖構(gòu)成的光纖環(huán)中，沿相反方向傳輸，并于耦合器處再次發(fā)生干涉。處再次發(fā)生干涉。當(dāng)傳感光纖沒有受到干擾時，干涉現(xiàn)象趨于穩(wěn)定；受當(dāng)傳感光纖沒有受到干擾時，干涉現(xiàn)象趨于穩(wěn)定；受到外界干擾時，正反向兩光束會產(chǎn)生不同的相移，并到外界干擾時，正反向兩光束會產(chǎn)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)生位于耦合器處發(fā)生干涉，干涉信號的光強與干擾發(fā)生位置具有一定關(guān)系。置具有一定關(guān)系。R1 R2 SagnacSagnac干涉儀的另一個典型應(yīng)用是干涉儀的另一

22、個典型應(yīng)用是光纖陀螺，即當(dāng)環(huán)形光路有轉(zhuǎn)動時，光纖陀螺，即當(dāng)環(huán)形光路有轉(zhuǎn)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，可用于轉(zhuǎn)動傳感差，可用于轉(zhuǎn)動傳感2323分布式光纖傳感技術(shù)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(dāng)干擾源信號是正弦信號（或形如正弦信號）時，當(dāng)干擾源信號是正弦信號（或形如正弦信號）時，接收信號的功率幅值為接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(guān)系為個零頻之間的關(guān)系為通

23、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2424分布式光纖傳感技術(shù)4-2 4-2 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-OTDRR-OTDR2525分布式光纖傳感技術(shù)(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

24、有頻移，是在散射前后有頻移，是非彈性散射非彈性散射斯托克斯光反斯托克斯光2626分布式光纖傳感技術(shù)（2 2）光時域反射）光時域反射 (OTDR)(OTDR)技術(shù)技術(shù)光時域反射光時域反射 (OTDR(OTDR：Opitcal Time-Domain Opitcal Time-Domain Reflectometry)Reflectometry)技術(shù)最初被用于檢驗光纖線路的損技術(shù)最初被用于檢驗光纖線路的損耗特性以及故障分析。耗特性以及故障分析。當(dāng)光脈沖在光纖中傳輸?shù)臅r候，由于光纖本身的當(dāng)光脈沖在光纖中傳輸?shù)臅r候，由于光纖本身的性質(zhì)、連接器、接頭、彎曲或其他類似事件而產(chǎn)性質(zhì)、連接器、接頭、彎曲或其他

25、類似事件而產(chǎn)生散射、反射，其中背向瑞利散射光和菲涅爾反生散射、反射，其中背向瑞利散射光和菲涅爾反射光將返回輸入端（主要是瑞利散射光，瑞利散射光將返回輸入端（主要是瑞利散射光，瑞利散射是光波在光纖中傳輸時由于光纖纖芯折射率在射是光波在光纖中傳輸時由于光纖纖芯折射率在微觀上的起伏而引起的線性散射，是光纖的固有微觀上的起伏而引起的線性散射，是光纖的固有特性）。特性）。光時域反射計將通過對返回光功率與返回時間的光時域反射計將通過對返回光功率與返回時間的關(guān)系獲得光纖線路沿線的損耗情況。關(guān)系獲得光纖線路沿線的損耗情況。2727分布式光纖傳感技術(shù)光時域反射光時域反射 (OTDR)(OTDR)技術(shù)技術(shù)散射型分

26、布式傳感技術(shù)對被測量的空間定位多基于光時域散射型分布式傳感技術(shù)對被測量的空間定位多基于光時域反射反射 技術(shù)，即向光纖中注入一個脈沖，通過反射信號和入技術(shù)，即向光纖中注入一個脈沖，通過反射信號和入射脈沖之間的時間差來確定空間位置。射脈沖之間的時間差來確定空間位置。d d為事件點距離系統(tǒng)終端的距離，為事件點距離系統(tǒng)終端的距離，c c為真空光速，為真空光速，n n為光纖有效折射率為光纖有效折射率脈沖的重復(fù)頻率決定了可監(jiān)測的光纖長度，而脈沖的寬度脈沖的重復(fù)頻率決定了可監(jiān)測的光纖長度，而脈沖的寬度決定了空間定位精度（決定了空間定位精度（10ns10ns寬度對應(yīng)空間分辨率寬度對應(yīng)空間分辨率1m1m）。）。

27、ncd2分布式光纖傳感技術(shù)利用利用OTDROTDR技術(shù)測量光纖沿線背向反射光功率的結(jié)果技術(shù)測量光纖沿線背向反射光功率的結(jié)果分布式光纖傳感技術(shù)2929(3)BOTDR(3)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(chǎn)生機理布里淵散射產(chǎn)生機理是入射光與聲波或傳播的壓力波相互作用的結(jié)果，這個傳是入射光與聲波或傳播的壓力波相互作用的結(jié)果，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(yīng)使散射光頻率不同于入射光。多普

28、勒效應(yīng)使散射光頻率不同于入射光。3030分布式光纖傳感技術(shù)BOTDRBOTDR布里淵散射布里淵散射量子光學(xué)描述：入射光波（泵浦）與介質(zhì)內(nèi)彈性聲量子光學(xué)描述：入射光波（泵浦）與介質(zhì)內(nèi)彈性聲波場作用中，一泵浦光子湮滅產(chǎn)生一聲學(xué)聲子和散波場作用中，一泵浦光子湮滅產(chǎn)生一聲學(xué)聲子和散射射(Stokes)(Stokes)光子。光子。散射光與泵浦波的傳播方向相反，與入射波的頻移散射光與泵浦波的傳播方向相反，與入射波的頻移（在（在1.55mm1.55mm處）約為：處）約為：f fB B=11.1GHZ=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3131分布式光

29、纖傳感技術(shù)BOTDRBOTDR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(zhì)折射率介質(zhì)折射率入射光頻率入射光頻率介質(zhì)中聲速介質(zhì)中聲速)21)(1 ()1 (kkEkvs介質(zhì)的楊氏模量介質(zhì)的楊氏模量介質(zhì)密度介質(zhì)密度泊松比泊松比溫度溫度應(yīng)力應(yīng)力熱光效應(yīng)熱光效應(yīng)彈光效應(yīng)彈光效應(yīng)折射率折射率變化變化聲速聲速變化變化調(diào)制介質(zhì)的調(diào)制介質(zhì)的E E、k k、密度、密度布里淵頻布里淵頻移變化移變化3232分布式光纖傳感技術(shù)BOTDRBOTDR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(yīng)變的上升布里淵散射光頻移會隨著溫度和光纖應(yīng)變的

30、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(yīng)變增加而線性下降：應(yīng)變增加而線性下降： PB=PB0+ P TT()+ P ()通過測量布里淵散射光頻移通過測量布里淵散射光頻移和光功率，就可以求得被測和光功率，就可以求得被測量點的溫度和應(yīng)力的大小。量點的溫度和應(yīng)力的大小。 通過測量布里淵散射光頻移通過測量布里淵散射光頻移和光功率，就可以求得被測和光功率，就可以求得被測量點的溫度和應(yīng)力的大小。量點的溫度和應(yīng)力的大小。 3333分布式光纖傳感技術(shù)BOTDRBOTDR布里淵頻移系數(shù)布里

31、淵頻移系數(shù)對于溫度的布里淵頻移系數(shù)是對于溫度的布里淵頻移系數(shù)是1.22M/度（度（1310nm），），1M/度（度（1550nm）對于應(yīng)力的布里淵頻移系數(shù)是對于應(yīng)力的布里淵頻移系數(shù)是581M/%（1310nm），），493M/%（1550nm）溫度的影響較小溫度的影響較小。3434分布式光纖傳感技術(shù)BOTDRBOTDR與與BOTDA( BOTDA( BRILLOUIN OPTICAL TIME DOMAIN BRILLOUIN OPTICAL TIME DOMAIN 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，在同一端檢測返回信號的沖，

32、在同一端檢測返回信號的中心波長和功率。使用方便，中心波長和功率。使用方便，但自發(fā)布里淵散射信號很微弱，但自發(fā)布里淵散射信號很微弱，檢測困難。檢測困難。在在BOTDABOTDA中，處于光纖兩端的中，處于光纖兩端的可調(diào)諧激光器分別將一脈沖光可調(diào)諧激光器分別將一脈沖光（泵浦光）與一連續(xù)光（探測（泵浦光）與一連續(xù)光（探測光）注入傳感光纖。利用受激光）注入傳感光纖。利用受激布里淵散射效應(yīng)，散射光強度布里淵散射效應(yīng)，散射光強度更強更強3535分布式光纖傳感技術(shù)BOTDRBOTDR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，并將時描，獲得各

33、個時間段上的光譜，并將時間與位置相對應(yīng)，即可獲得沿光纖各位間與位置相對應(yīng)，即可獲得沿光纖各位置處的布里淵頻譜圖，并獲得異常的布置處的布里淵頻譜圖，并獲得異常的布里淵頻移量和散射光功率。里淵頻移量和散射光功率。3636分布式光纖傳感技術(shù)BOTDRBOTDR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(yīng)變連續(xù)分布式測量溫度和應(yīng)變2. 2. 高溫度和應(yīng)變分辨率高溫度和應(yīng)變分辨率4. 4. 高空間分辨率高空間分辨率5. 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，也可用于通信同一根光纖既可用于傳感，也可用于通信缺點：缺點：需要激光器

34、的輸出穩(wěn)定、線寬窄，對光源和控制系統(tǒng)需要激光器的輸出穩(wěn)定、線寬窄，對光源和控制系統(tǒng)的要求很高；的要求很高；由于自發(fā)布里淵散射相當(dāng)微弱（比瑞利散射約小兩個由于自發(fā)布里淵散射相當(dāng)微弱（比瑞利散射約小兩個數(shù)量級），檢測比較困難，要求信號處理系統(tǒng)具有較數(shù)量級），檢測比較困難，要求信號處理系統(tǒng)具有較高的信噪比高的信噪比; ;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。3737分布式光纖傳感技術(shù)檢測檢測30km 30km 光纖沿

35、線的應(yīng)變，光纖沿線的應(yīng)變，空間分辨力可達(dá)空間分辨力可達(dá)1m1m。應(yīng)變精度應(yīng)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) 3838分布式光纖傳感技術(shù)（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產(chǎn)生機理：拉曼散射產(chǎn)生機理：在任何分子介質(zhì)中，光通過介質(zhì)時由于入射光與分子運在任何分子介質(zhì)中，光通過介質(zhì)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，此過程為拉動相互作用會引起

36、的頻率發(fā)生變化的散射，此過程為拉曼散射曼散射量子力學(xué)描述：分子吸收頻率為量子力學(xué)描述：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，同時分子從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)（對應(yīng)斯托克的光子，同時分子從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)（對應(yīng)斯托克斯光）；分子吸收頻率為斯光）；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的光子的光子，同時分子從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)（反斯托克斯光）。，同時分子從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)（反斯托克斯光）。3939分布式光纖傳感技術(shù)ROTDRROTDR傳感原理傳感原理拉曼散射由分子熱運動引起，所以拉曼散射光拉曼散射由分子熱運動引起

37、，所以拉曼散射光可以攜帶散射點的溫度信息。可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，而斯托反斯托克斯光的幅度強烈依賴于溫度，而斯托克斯光則不是。則通過測量斯托克斯光與反斯克斯光則不是。則通過測量斯托克斯光與反斯托克斯光的功率比，可以探測到溫度的變化。托克斯光的功率比，可以探測到溫度的變化。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(nèi)且需對探測到的后向散射光信號取較長時間內(nèi)的平均值。的平均值。此方法上世紀(jì)此方法上世紀(jì)8080年代就已被提出，并商用化。年代就已被提出，并商用化。4040分布式光纖傳感技術(shù)RO