分布式光纖傳感技術(shù)

1、分布式光纖傳感技術(shù)第1頁，共38頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)39分，星期一 分布式光纖傳感技術(shù)利用光波在光纖中傳輸?shù)奶匦?，可沿光纖長度方向連續(xù)的傳感被測(cè)量（如溫度、壓力、應(yīng)力和應(yīng)變等）光纖既是傳感介質(zhì)，又是被測(cè)量的傳輸介質(zhì)。優(yōu)點(diǎn)：可在很大的空間范圍內(nèi)連續(xù)的進(jìn)行傳感，是其突出優(yōu)點(diǎn)。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。與點(diǎn)式傳感器相比，單位長度內(nèi)信息獲取成本大大降低，性價(jià)比高。2第2頁，共38頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)39分，星期一分布式光纖傳感器的特征參量空間分辨率指分布式光纖傳感器對(duì)沿光纖長度分布的被測(cè)量進(jìn)行測(cè)量時(shí)所能分辨的最小空間距離。時(shí)間分辨率指分布式光纖傳感

2、器對(duì)被測(cè)量監(jiān)測(cè)時(shí)，達(dá)到被測(cè)量的分辨率所需的時(shí)間。被測(cè)量分辨率指分布式光纖傳感器對(duì)被測(cè)量能正確測(cè)量的程度。以上三個(gè)分辨率之間有相互制約的關(guān)系。3第3頁，共38頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)39分，星期一典型的分布式光纖傳感器4-1 相位調(diào)制型傳感器Mach-Zehnder干涉式傳感器Sagnac干涉式傳感器4-2 散射型傳感器布里淵散射型光纖傳感器拉曼散射型光纖傳感器4第4頁，共38頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)39分，星期一M-Z干涉型光纖傳感器的信號(hào)處理信號(hào)處理的目標(biāo)1).對(duì)干擾事件進(jìn)行定性通過解調(diào)獲得干擾臂的相位變化，進(jìn)而根據(jù)相位變化情況分析干擾產(chǎn)生原因。5利用3*3耦合器解調(diào)原理

3、圖第5頁，共38頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)39分，星期一M-Z干涉型光纖傳感器的信號(hào)處理通過順時(shí)針和逆時(shí)針傳輸?shù)南辔皇芨蓴_光信號(hào)到達(dá)A點(diǎn)和B點(diǎn)的時(shí)延差可計(jì)算出產(chǎn)生干擾的位置。A點(diǎn)和B點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)M-Z干涉儀兩個(gè)耦合器的位置。P點(diǎn)是干擾發(fā)生的位置使用時(shí)使干涉儀兩臂中同時(shí)存在順時(shí)針和逆時(shí)針傳輸?shù)墓?信號(hào)處理的目標(biāo)2).對(duì)干擾事件進(jìn)行定位（適用于周界監(jiān)控及管道監(jiān)控等應(yīng)用）第6頁，共38頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)39分，星期一耦合器C2和C3構(gòu)成M-Z干涉儀在計(jì)算機(jī)中對(duì)PD1和PD2接收到的光信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算，就可以獲得干擾出現(xiàn)的時(shí)延差，繼而實(shí)現(xiàn)干擾定位利用M-Z干涉儀進(jìn)行分布式傳感的

4、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖7第7頁，共38頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)39分，星期一(2) 光纖SAGNAC干涉型分布式傳感器激光器發(fā)出的光經(jīng)耦合器分為兩束分別耦合進(jìn)由同一光纖構(gòu)成的光纖環(huán)中，沿相反方向傳輸，并于耦合器處再次發(fā)生干涉。當(dāng)傳感光纖沒有受到干擾時(shí)，干涉現(xiàn)象趨于穩(wěn)定；受到外界干擾時(shí)，正反向兩光束會(huì)產(chǎn)生不同的相移，并于耦合器處發(fā)生干涉，干涉信號(hào)的光強(qiáng)與干擾發(fā)生位置具有一定關(guān)系。R1 R2 Sagnac干涉儀的另一個(gè)典型應(yīng)用是光纖陀螺，即當(dāng)環(huán)形光路有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，順逆時(shí)針的光會(huì)有非互易性的光程差，可用于轉(zhuǎn)動(dòng)傳感8第8頁，共38頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)39分，星期一光纖SAGNAC干涉型分布式傳

5、感器定位原理當(dāng)干擾源信號(hào)是正弦信號(hào)（或形如正弦信號(hào)）時(shí)，接收信號(hào)的功率幅值為零點(diǎn)頻率發(fā)生在 干擾源位置R1與第N個(gè)零頻之間的關(guān)系為通過分析接收光信號(hào)的零頻點(diǎn)位置即可獲得干擾源的位置（上）有干擾時(shí)光強(qiáng)信號(hào)的理論計(jì)算值（下）實(shí)驗(yàn)值9第9頁，共38頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)39分，星期一2 散射型光纖傳感器利用背向瑞利散射OTDR利用布里淵散射B-OTDR、 B-OTDA利用拉曼散射R-OTDR10第10頁，共38頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)39分，星期一(1)光纖中的背向散射光分析布里淵散射和拉曼散射在散射前后有頻移，是非彈性散射斯托克斯光反斯托克斯光11第11頁，共38頁，2022

6、年，5月20日，19點(diǎn)39分，星期一12(2)BOTDR光時(shí)域布里淵散射光纖傳感器布里淵散射產(chǎn)生機(jī)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(gè)傳播的壓力波等效于一個(gè)以一定速度移動(dòng)的密度光柵。因此布里淵散射可以看成是入射光在移動(dòng)光柵上的散射。多普勒效應(yīng)使散射光頻率不同于入射光。第12頁，共38頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)39分，星期一BOTDR布里淵散射量子光學(xué)描述：入射光波（泵浦）與介質(zhì)內(nèi)彈性聲波場作用中，一泵浦光子湮滅產(chǎn)生一聲學(xué)聲子和散射(Stokes)光子。散射光與泵浦波的傳播方向相反，與入射波的頻移（在1.55mm處）約為：fB=11.1GHZ。分為自發(fā)布里淵散射和受激布里淵

7、散射兩種13第13頁，共38頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)39分，星期一BOTDR傳感原理布里淵散射斯托克斯光相對(duì)于入射光的頻移為：介質(zhì)折射率入射光頻率介質(zhì)中聲速介質(zhì)的楊氏模量介質(zhì)密度泊松比溫度應(yīng)力熱光效應(yīng)彈光效應(yīng)折射率變化聲速變化調(diào)制介質(zhì)的E、k、密度布里淵頻移變化14第14頁，共38頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)39分，星期一BOTDR傳感原理布里淵散射光頻移會(huì)隨著溫度和光纖應(yīng)變的上升而線性增加： fB=fB0+ f TT()+ f () 布里淵散射光功率會(huì)隨溫度的上升而線性增加,隨應(yīng)變?cè)黾佣€性下降： PB=PB0+ P TT()+ P ()通過測(cè)量布里淵散射光頻移和光功率，就可

8、以求得被測(cè)量點(diǎn)的溫度和應(yīng)力的大小。 通過測(cè)量布里淵散射光頻移和光功率，就可以求得被測(cè)量點(diǎn)的溫度和應(yīng)力的大小。 15第15頁，共38頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)39分，星期一ROTDR 時(shí)域背向拉曼散射分布式光纖傳感器當(dāng)光纖局域位置(L=Lo處)的溫度變化時(shí)，調(diào)制了光纖拉曼散射光子通量，也就是光纖拉曼背向散射的溫度調(diào)制機(jī)理。反斯托克斯拉曼散射對(duì)溫度的敏感系數(shù)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散射用作信號(hào)通道，作為計(jì)算溫度的主要依據(jù)。30 km的FGC-30拉曼測(cè)溫系統(tǒng)，其空間分辨率為3m、溫度分辨率為0.1、測(cè)溫范圍為0+100第16頁，共38頁，2022年，5月20日

9、，19點(diǎn)39分，星期一測(cè)溫原理Is斯托克斯光光強(qiáng)反斯托克斯光光強(qiáng)溫度變化斯托克斯光：波長大于入射光反斯托克斯光：波長小于入射光測(cè)溫原理：Ias/Isae-kcv/kTIasIs不變Ias變化第17頁，共38頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)39分，星期一同步控制光源恒溫耦合器耦合器濾波器濾波器探測(cè)器數(shù)據(jù)采集與處理后臺(tái)控制StokesAnti-Stokes傳感光纖測(cè)溫區(qū)域第18頁，共38頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)39分，星期一拉曼散射強(qiáng)度比瑞利散射強(qiáng)度低2030dBm，要求脈沖峰值功率很高；拉曼散射只受到環(huán)境溫度的影響，而對(duì)應(yīng)力變化不敏感；相對(duì)基于喇曼散射的傳感系統(tǒng)來說，基于布里淵散射的

10、傳感系統(tǒng)：1）它能同時(shí)對(duì)溫度和應(yīng)力進(jìn)行探測(cè)；2）探測(cè)作用距離遠(yuǎn)，能達(dá)到100公里， 空間分辨率達(dá)到5米；3）成本費(fèi)用低。第19頁，共38頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)39分，星期一BOTDR布里淵頻移系數(shù)對(duì)于溫度的布里淵頻移系數(shù)是1.22M/度（1310nm），1M/度（1550nm）對(duì)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。20第20頁，共38頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)39分，星期一BOTDR與BOTDA( BRILLOUIN OPTICAL TIME DOMAIN ANALYSIS)BOTDR系統(tǒng)從一端輸入泵浦脈沖，在同

11、一端檢測(cè)返回信號(hào)的中心波長和功率。使用方便，但自發(fā)布里淵散射信號(hào)很微弱，檢測(cè)困難。在BOTDA中，處于光纖兩端的可調(diào)諧激光器分別將一脈沖光（泵浦光）與一連續(xù)光（探測(cè)光）注入傳感光纖。利用受激布里淵散射效應(yīng)，散射光強(qiáng)度更強(qiáng)21第21頁，共38頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)39分，星期一BOTDR定位原理對(duì)一定頻譜范圍連續(xù)不斷的進(jìn)行循環(huán)掃描，獲得各個(gè)時(shí)間段上的光譜，并將時(shí)間與位置相對(duì)應(yīng)，即可獲得沿光纖各位置處的布里淵頻譜圖，并獲得異常的布里淵頻移量和散射光功率。22第22頁，共38頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)39分，星期一第23頁，共38頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)39分，星期一B

12、OTDR優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1. 連續(xù)分布式測(cè)量溫度和應(yīng)變2. 高溫度和應(yīng)變分辨率4. 高空間分辨率5. 超長傳感范圍(超過80公里)6. 同一根光纖既可用于傳感，也可用于通信缺點(diǎn)：需要激光器的輸出穩(wěn)定、線寬窄，對(duì)光源和控制系統(tǒng)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(gè)數(shù)量級(jí)），檢測(cè)比較困難，要求信號(hào)處理系統(tǒng)具有較高的信噪比;由于在檢測(cè)過程中需進(jìn)行大量的信號(hào)加法平均、頻率的掃描等處理,因而實(shí)現(xiàn)一次完整的測(cè)量需較長的時(shí)間,實(shí)時(shí)性不夠好。24第24頁，共38頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)39分，星期一檢測(cè)30km 光纖沿線的應(yīng)變，空間分辨力可達(dá)1m。應(yīng)變精度: 20 e (0.002%

13、)溫度精度 : 1C取樣時(shí)間 : 20 s 至 5 min (典型值：2 min) 25第25頁，共38頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)39分，星期一（3）ROTDR光時(shí)域拉曼散射光纖傳感器拉曼散射產(chǎn)生機(jī)理：在任何分子介質(zhì)中，光通過介質(zhì)時(shí)由于入射光與分子運(yùn)動(dòng)相互作用會(huì)引起的頻率發(fā)生變化的散射，此過程為拉曼散射量子力學(xué)描述：分子吸收頻率為 V0的光子，發(fā)射V0-Vi的光子，同時(shí)分子從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)（對(duì)應(yīng)斯托克斯光）；分子吸收頻率為V0的光子，發(fā)射V0+Vi的光子，同時(shí)分子從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)（反斯托克斯光）。26第26頁，共38頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)39分，星期一ROTDR傳感

14、原理拉曼散射由分子熱運(yùn)動(dòng)引起，所以拉曼散射光可以攜帶散射點(diǎn)的溫度信息。反斯托克斯光的幅度強(qiáng)烈依賴于溫度，而斯托克斯光則不是。則通過測(cè)量斯托克斯光與反斯托克斯光的功率比，可以探測(cè)到溫度的變化。由于自發(fā)拉曼散射光一般很弱，比自發(fā)布里淵散射光還弱10dB，所以必須采用高輸入功率，且需對(duì)探測(cè)到的后向散射光信號(hào)取較長時(shí)間內(nèi)的平均值。此方法上世紀(jì)80年代就已被提出，并商用化。27第27頁，共38頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)39分，星期一ROTDR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相關(guān)。常溫下(T=300K)其溫敏系數(shù)為8/。 采用反斯托克斯與

15、斯托克斯比值的分布式光纖溫度測(cè)量，其結(jié)果消除了光源波動(dòng)、光纖彎曲等因素的影響，只與沿光纖的溫度場有關(guān)，因此可長時(shí)間保證測(cè)溫精度。28第28頁，共38頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)39分，星期一幾種散射式傳感技術(shù)的比較應(yīng)用場合優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)OTDR斷點(diǎn)、損傷檢測(cè)連續(xù)顯示衰減情況有盲區(qū)BOTDR應(yīng)力、溫度測(cè)量精度和分辨率高要求極窄線寬、可調(diào)線寬激光器；交叉干擾；功率低BOTDA應(yīng)力、溫度測(cè)量精度和分辨率高，大動(dòng)態(tài)范圍系統(tǒng)復(fù)雜；兩端測(cè)量；不能檢測(cè)斷點(diǎn)；交叉干擾ROTDR溫度較高測(cè)溫精度返回的信號(hào)弱，大功率光源29第29頁，共38頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)39分，星期一(5)分布式光纖傳感技術(shù)的

16、應(yīng)用30第30頁，共38頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)39分，星期一分布式光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用周界防護(hù)光纜傳感監(jiān)控系統(tǒng)工程施工實(shí)例根據(jù)防范的不同場合和要求，光纖可以構(gòu)成各種形狀，環(huán)置于需要防范的周界處的適當(dāng)位置，當(dāng)入侵者侵入時(shí)，系統(tǒng)都會(huì)發(fā)出告警信號(hào)31第31頁，共38頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)39分，星期一光波所為國慶60周年通州閱兵村提供的光纜預(yù)警系統(tǒng)采用的就是分布式光纖傳感技術(shù)第32頁，共38頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)39分，星期一分布式光纖傳感技術(shù)用于航空領(lǐng)域的多參量監(jiān)測(cè)太空飛船X-38的再入式實(shí)驗(yàn)飛行器（NASA圖片）傳感器布測(cè)區(qū)域a.分布式溫度傳感方案b.分布式應(yīng)力

17、傳感方案輸出信號(hào)沿光纖傳輸光的背向散射分量光纖溫度傳感元平面溫度場分布輸入信號(hào)埋入光纖應(yīng)力傳感元輸入信號(hào)輸出信號(hào)光纖監(jiān)測(cè)網(wǎng)損傷探測(cè)光纖蒙皮33第33頁，共38頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)39分，星期一分布式光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用管道泄露監(jiān)測(cè)34第34頁，共38頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)39分，星期一各種分布式光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用傳感原理傳感監(jiān)測(cè)量應(yīng)用領(lǐng)域B-OTDR應(yīng)力，溫度管道泄露監(jiān)測(cè)，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等R-OTDR溫度油氣油井里溫度分布監(jiān)測(cè)、管道泄露監(jiān)測(cè)等M-Z微振動(dòng)周界防護(hù)等Sagnac較有規(guī)律的微振動(dòng)氣體管道泄露監(jiān)測(cè)、周界防護(hù)等35第35頁，共38頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)39分，星期一應(yīng)用場合優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)OTDR斷點(diǎn)、損傷檢測(cè)連續(xù)顯示衰減情況有盲區(qū)BOTDR應(yīng)力、溫度測(cè)量精度和分辨率高要求極窄線寬、可調(diào)線寬激光器；交叉干擾；功率低BOTDA應(yīng)力、溫度測(cè)量精度和分辨率高，大動(dòng)態(tài)范圍系