分布式光纖傳感器課件

分布式光纖傳感器1分布式光纖傳感器1分布式光纖傳感器分布式傳感器可以準(zhǔn)確測量光纖沿線上任意一點(diǎn)上的應(yīng)力、溫度、振動(dòng)等信息。光纖周界安防系統(tǒng)主要基于分布式光纖振動(dòng)傳感器。將光纖固定于需要傳感的圍欄上，當(dāng)有外界入侵時(shí)，光纖中的傳感信號受到入侵信號的調(diào)制而發(fā)生變化，通過分析這個(gè)變化就得到入侵的具體位置，從而實(shí)現(xiàn)分布式入侵檢測。分布式傳感主要是后向散射類傳感，這又包括時(shí)域和頻域分析，本報(bào)告主要討論時(shí)域散射類傳感。2分布式光纖傳感器分布式傳感器可以準(zhǔn)確測量光纖沿線上任意一點(diǎn)上光纖中的散射信號光纖中的散射信號主要包括三類：瑞利散射，由折射率起伏引起；拉曼散射，由光學(xué)聲子引起；布里淵散射，由聲學(xué)聲子引起。其散射光譜圖入下：圖1散射光譜圖3光纖中的散射信號光纖中的散射信號主要包括三類：圖1散射光譜OTDR技術(shù)散射類光纖傳感主要運(yùn)用OTDR技術(shù)實(shí)現(xiàn)，此技術(shù)通過向光纖中注入光脈沖并接收光纖內(nèi)的后向散射光實(shí)現(xiàn)傳感，外部事件會對后向散射光的幅度、相位、波長（頻率）和偏振態(tài)產(chǎn)生影響，利用入射信號與返回信號的時(shí)間差可得出事件點(diǎn)與OTDR的距離：

其中c：真空光速；n：折射率；τ：時(shí)延。4OTDR技術(shù)散射類光纖傳感主要運(yùn)用OTDR技術(shù)實(shí)現(xiàn)，此技術(shù)通OTDR技術(shù)的空間分辨率基于OTDR技術(shù)的傳感器均有類似的空間分辨率，其表達(dá)式如下：其中c：真空光速；n：折射率；T：脈沖寬度。圖2空間分辨率示意圖5OTDR技術(shù)的空間分辨率基于OTDR技術(shù)的傳感器均有類似的空瑞利散射分布式傳感基于瑞利散射的傳感技術(shù)主要有以下幾類：普通OTDR；相位敏感OTDR（φ-OTDR）；相干OTDR（COTDR）；偏振OTDR（POTDR）。6瑞利散射分布式傳感基于瑞利散射的傳感技術(shù)主要有以下幾類：6普通OTDR用于光纖測試普通的OTDR一般用來檢測光纖中的熔接點(diǎn)、連接器的損耗和位置，技術(shù)已經(jīng)十分成熟，它利用的是瑞利散射光。圖3OTDR用于光纖測試7普通OTDR用于光纖測試普通的OTDR一般用來檢測光纖中的熔相位敏感OTDR（φ-OTDR）把普通OTDR的光源換成窄線寬激光器，則可用來實(shí)現(xiàn)對外界微擾的分布式定位，這便是φ-OTDR，它利用的仍舊是瑞利散射光，但由于光源相干性提高，散射光受到外界干擾后相位發(fā)生變化導(dǎo)致幅度也發(fā)生較大變化，通過檢測幅度的畸變點(diǎn)便實(shí)現(xiàn)了分布式測量。8相位敏感OTDR（φ-OTDR）把普通OTDR的光源換成窄線φ-OTDR擾動(dòng)定位φ-OTDR靈敏度高并且可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)擾動(dòng)定位，但是由于對激光器線寬要求很高(kHz)，導(dǎo)致成本很高。圖4φ-OTDR擾動(dòng)定位9φ-OTDR擾動(dòng)定位φ-OTDR靈敏度高并且可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)擾動(dòng)COTDR相干檢測擾動(dòng)定位通過相干檢測技術(shù)可以大幅度提高φ-OTDR的信噪比，通過相干技術(shù)實(shí)現(xiàn)φ-OTDR解調(diào)的方法叫做COTDR，其系統(tǒng)搭建圖如下所示。圖5相干檢測OTDR10COTDR相干檢測擾動(dòng)定位通過相干檢測技術(shù)可以大幅度提高φ-COTDR實(shí)例英國OptaSense公司的分布式光纖聲學(xué)傳感器(DAS)。InterrogatorUnitSenda

conditionedpulseoflightintothefibretocreatevirtualmicrophones.ProcessingUnitUserInterfaceTheacousticdataisreceivedbyherewhichmonitorseachmicrophonechannelinrealtimeforthepresenceofspecificacousticevents.Presentstherealtimeeventdatatotheoperatorinaclearandintuitivemannerwhereclassifiedalertsareshownonamapdisplaywithlocationcoordinates.11COTDR實(shí)例英國OptaSense公司的分布式光纖聲學(xué)傳感POTDR擾動(dòng)定位POTDR利用的是后向散射光的偏振信息受外界調(diào)制產(chǎn)生變化實(shí)現(xiàn)定位傳感，它有兩種基本結(jié)構(gòu)：圖6P-OTDR的兩種基本結(jié)構(gòu)12POTDR擾動(dòng)定位POTDR利用的是后向散射光的偏振信息受外POTDR的數(shù)據(jù)處理（1）基于POTDR的分布式傳感有兩種數(shù)據(jù)處理方法，一種處理方法算法簡單但是只能定位第一個(gè)擾動(dòng)，另一種方法可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)定位，但是對硬件要求高，數(shù)據(jù)處理也相對復(fù)雜。方法1（數(shù)據(jù)處理簡單，單點(diǎn)定位）。連續(xù)采集多條背向散射曲線，采用差值除以信號本身來調(diào)整差值信號使得調(diào)整后的差值信號在整個(gè)傳感范圍內(nèi)均勻分布。設(shè)x(i)是第i條數(shù)據(jù)，則調(diào)整后的差值信號為[x(i+n)-x(i)]/x(i)，得到的多條差值曲線如圖7所示，n根據(jù)實(shí)際取值。圖7POTDR數(shù)據(jù)處理13POTDR的數(shù)據(jù)處理（1）基于POTDR的分布式傳感有兩種數(shù)POTDR的數(shù)據(jù)處理（2）方法2（數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，多點(diǎn)定位）。POTDR多點(diǎn)定位振動(dòng)傳感器基于所得數(shù)據(jù)的譜分析，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖。圖8

P-OTDR試驗(yàn)框圖14POTDR的數(shù)據(jù)處理（2）方法2（數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，多點(diǎn)定位）。POTDR的數(shù)據(jù)處理（3）假設(shè)每0.1ms采集一次數(shù)據(jù)并儲存，那么每秒得到10k條數(shù)據(jù)，這樣可以得到在某一固定位置z1處的一條關(guān)于時(shí)間的曲線，如果此處出現(xiàn)擾動(dòng)，在z1處的數(shù)據(jù)會在某一固定常量左右變化。圖9POTDR數(shù)據(jù)譜分析15POTDR的數(shù)據(jù)處理（3）假設(shè)每0.1ms采集一次數(shù)據(jù)并儲存POTDR的數(shù)據(jù)處理（4）對于多點(diǎn)入侵信號，普通的數(shù)據(jù)相減的方法不再適用，因?yàn)榈谝粋€(gè)入侵信號之后的所有擾動(dòng)都被第一個(gè)擾動(dòng)湮沒了，如圖7所示。利用譜分析的方法，第一個(gè)擾動(dòng)之前，沒有擾動(dòng)事件的頻譜成分，第一個(gè)擾動(dòng)之后第二個(gè)擾動(dòng)之前，數(shù)據(jù)中出現(xiàn)第一個(gè)擾動(dòng)的頻譜成分，第二個(gè)擾動(dòng)之后的數(shù)據(jù)出現(xiàn)第一個(gè)和第二個(gè)事件的頻譜成分，三個(gè)擾動(dòng)事件的情況類似……這便是通過POTDR實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)入侵的基本原理。16POTDR的數(shù)據(jù)處理（4）對于多點(diǎn)入侵信號，普通的數(shù)據(jù)相減的拉曼散射分布式傳感器（ROTDR）以上介紹的幾種分布式傳感器雖然數(shù)據(jù)處理方法不同，但都是利用的瑞利散射光，通過檢測瑞利散射光信號受外界調(diào)制產(chǎn)生的變化實(shí)現(xiàn)分布式傳感?；诶⑸涞姆植际絺鞲衅髦饕獞?yīng)用于大范圍、長距離的溫度傳感。在自發(fā)拉曼散射中，可利用拉曼光中斯托克斯部分與反斯托克斯部分強(qiáng)度比與溫度的關(guān)系進(jìn)行傳感。17拉曼散射分布式傳感器（ROTDR）以上介紹的幾種分布式傳感器ROTDR傳感原理拉曼散射光中斯托克斯光的光強(qiáng)與溫度無光，而反斯托克斯光的光強(qiáng)會隨溫度變化。反斯托克斯光光強(qiáng)Ias和斯托克斯光光強(qiáng)Is之比與溫度的關(guān)系可表示為：

a為與溫度相關(guān)的系數(shù)。于是通過實(shí)測斯托克斯-反斯托克斯光強(qiáng)之比可計(jì)算出溫度：h:

普朗克常數(shù)c:

真空光速v0:

入射光頻率k:

波爾茲曼常數(shù)T:

絕對溫度18ROTDR傳感原理拉曼散射光中斯托克斯光的光強(qiáng)與溫度無光，而ROTDR溫度傳感器結(jié)構(gòu)實(shí)際中可用濾波器濾出拉曼光的斯托克斯部分與反斯托克斯部分，然后處理所得數(shù)據(jù)得到溫度。其基本結(jié)構(gòu)如下：圖10ROTDR溫度傳感結(jié)構(gòu)19ROTDR溫度傳感器結(jié)構(gòu)實(shí)際中可用濾波器濾出拉曼光的斯托克斯布里淵散射分布式傳感器（BOTDR）布里淵散射的頻移分量由聲波產(chǎn)生的移動(dòng)光柵引起，光柵以聲速在光纖中傳播，且聲速與光纖溫度和應(yīng)力有關(guān)，兩個(gè)布里淵頻移分量均攜帶光纖局部溫度與應(yīng)力信息。散射光的布里淵頻移隨溫度和應(yīng)力的變化見圖1的散射圖譜。點(diǎn)擊進(jìn)入散射光譜圖20布里淵散射分布式傳感器（BOTDR）布里淵散射的頻移分量由聲BOTDR應(yīng)變測量原理圖布里淵頻移與溫度和應(yīng)變的線性關(guān)系。圖11布里淵頻移與溫度、應(yīng)力的線性關(guān)系圖12BOTDR應(yīng)變測量原理圖21BOTDR應(yīng)變測量原理圖布里淵頻移與溫度和應(yīng)變的線性關(guān)系。圖BOTDR結(jié)構(gòu)圖布里淵光時(shí)域反射技術(shù)利用了自發(fā)布里淵散射，與傳統(tǒng)OTDR系統(tǒng)技術(shù)類似，其結(jié)構(gòu)如圖4。布里淵信號比瑞利信號約小兩個(gè)數(shù)量級，檢測比較困難，故使用部分本地光與散射光混頻的相干接收機(jī)測量背向散射。圖13BOTDR結(jié)構(gòu)圖22BOTDR結(jié)構(gòu)圖布里淵光時(shí)域反射技術(shù)利用了自發(fā)布里淵散射，與BOTDR的周界入侵報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警方式。先測量沒有入侵事件時(shí)整條光纜的應(yīng)變分布情況，將應(yīng)變曲線作為參考值。在入侵報(bào)警探測時(shí)，每一次掃頻測量完畢，都將測得的應(yīng)變曲線與參考應(yīng)變曲線相減，觀察得到的應(yīng)變差值曲線，若其中的應(yīng)變值超出了設(shè)定的警戒值，即觸發(fā)報(bào)警。圖14

光纜的固定23BOTDR的周界入侵報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警方式。圖14光纜的固定23謝謝！歡迎提問24謝謝！歡迎提問24分布式光纖傳感器25分布式光纖傳感器1分布式光纖傳感器分布式傳感器可以準(zhǔn)確測量光纖沿線上任意一點(diǎn)上的應(yīng)力、溫度、振動(dòng)等信息。光纖周界安防系統(tǒng)主要基于分布式光纖振動(dòng)傳感器。將光纖固定于需要傳感的圍欄上，當(dāng)有外界入侵時(shí)，光纖中的傳感信號受到入侵信號的調(diào)制而發(fā)生變化，通過分析這個(gè)變化就得到入侵的具體位置，從而實(shí)現(xiàn)分布式入侵檢測。分布式傳感主要是后向散射類傳感，這又包括時(shí)域和頻域分析，本報(bào)告主要討論時(shí)域散射類傳感。26分布式光纖傳感器分布式傳感器可以準(zhǔn)確測量光纖沿線上任意一點(diǎn)上光纖中的散射信號光纖中的散射信號主要包括三類：瑞利散射，由折射率起伏引起；拉曼散射，由光學(xué)聲子引起；布里淵散射，由聲學(xué)聲子引起。其散射光譜圖入下：圖1散射光譜圖27光纖中的散射信號光纖中的散射信號主要包括三類：圖1散射光譜OTDR技術(shù)散射類光纖傳感主要運(yùn)用OTDR技術(shù)實(shí)現(xiàn)，此技術(shù)通過向光纖中注入光脈沖并接收光纖內(nèi)的后向散射光實(shí)現(xiàn)傳感，外部事件會對后向散射光的幅度、相位、波長（頻率）和偏振態(tài)產(chǎn)生影響，利用入射信號與返回信號的時(shí)間差可得出事件點(diǎn)與OTDR的距離：

其中c：真空光速；n：折射率；τ：時(shí)延。28OTDR技術(shù)散射類光纖傳感主要運(yùn)用OTDR技術(shù)實(shí)現(xiàn)，此技術(shù)通OTDR技術(shù)的空間分辨率基于OTDR技術(shù)的傳感器均有類似的空間分辨率，其表達(dá)式如下：其中c：真空光速；n：折射率；T：脈沖寬度。圖2空間分辨率示意圖29OTDR技術(shù)的空間分辨率基于OTDR技術(shù)的傳感器均有類似的空瑞利散射分布式傳感基于瑞利散射的傳感技術(shù)主要有以下幾類：普通OTDR；相位敏感OTDR（φ-OTDR）；相干OTDR（COTDR）；偏振OTDR（POTDR）。30瑞利散射分布式傳感基于瑞利散射的傳感技術(shù)主要有以下幾類：6普通OTDR用于光纖測試普通的OTDR一般用來檢測光纖中的熔接點(diǎn)、連接器的損耗和位置，技術(shù)已經(jīng)十分成熟，它利用的是瑞利散射光。圖3OTDR用于光纖測試31普通OTDR用于光纖測試普通的OTDR一般用來檢測光纖中的熔相位敏感OTDR（φ-OTDR）把普通OTDR的光源換成窄線寬激光器，則可用來實(shí)現(xiàn)對外界微擾的分布式定位，這便是φ-OTDR，它利用的仍舊是瑞利散射光，但由于光源相干性提高，散射光受到外界干擾后相位發(fā)生變化導(dǎo)致幅度也發(fā)生較大變化，通過檢測幅度的畸變點(diǎn)便實(shí)現(xiàn)了分布式測量。32相位敏感OTDR（φ-OTDR）把普通OTDR的光源換成窄線φ-OTDR擾動(dòng)定位φ-OTDR靈敏度高并且可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)擾動(dòng)定位，但是由于對激光器線寬要求很高(kHz)，導(dǎo)致成本很高。圖4φ-OTDR擾動(dòng)定位33φ-OTDR擾動(dòng)定位φ-OTDR靈敏度高并且可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)擾動(dòng)COTDR相干檢測擾動(dòng)定位通過相干檢測技術(shù)可以大幅度提高φ-OTDR的信噪比，通過相干技術(shù)實(shí)現(xiàn)φ-OTDR解調(diào)的方法叫做COTDR，其系統(tǒng)搭建圖如下所示。圖5相干檢測OTDR34COTDR相干檢測擾動(dòng)定位通過相干檢測技術(shù)可以大幅度提高φ-COTDR實(shí)例英國OptaSense公司的分布式光纖聲學(xué)傳感器(DAS)。InterrogatorUnitSenda

conditionedpulseoflightintothefibretocreatevirtualmicrophones.ProcessingUnitUserInterfaceTheacousticdataisreceivedbyherewhichmonitorseachmicrophonechannelinrealtimeforthepresenceofspecificacousticevents.Presentstherealtimeeventdatatotheoperatorinaclearandintuitivemannerwhereclassifiedalertsareshownonamapdisplaywithlocationcoordinates.35COTDR實(shí)例英國OptaSense公司的分布式光纖聲學(xué)傳感POTDR擾動(dòng)定位POTDR利用的是后向散射光的偏振信息受外界調(diào)制產(chǎn)生變化實(shí)現(xiàn)定位傳感，它有兩種基本結(jié)構(gòu)：圖6P-OTDR的兩種基本結(jié)構(gòu)36POTDR擾動(dòng)定位POTDR利用的是后向散射光的偏振信息受外POTDR的數(shù)據(jù)處理（1）基于POTDR的分布式傳感有兩種數(shù)據(jù)處理方法，一種處理方法算法簡單但是只能定位第一個(gè)擾動(dòng)，另一種方法可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)定位，但是對硬件要求高，數(shù)據(jù)處理也相對復(fù)雜。方法1（數(shù)據(jù)處理簡單，單點(diǎn)定位）。連續(xù)采集多條背向散射曲線，采用差值除以信號本身來調(diào)整差值信號使得調(diào)整后的差值信號在整個(gè)傳感范圍內(nèi)均勻分布。設(shè)x(i)是第i條數(shù)據(jù)，則調(diào)整后的差值信號為[x(i+n)-x(i)]/x(i)，得到的多條差值曲線如圖7所示，n根據(jù)實(shí)際取值。圖7POTDR數(shù)據(jù)處理37POTDR的數(shù)據(jù)處理（1）基于POTDR的分布式傳感有兩種數(shù)POTDR的數(shù)據(jù)處理（2）方法2（數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，多點(diǎn)定位）。POTDR多點(diǎn)定位振動(dòng)傳感器基于所得數(shù)據(jù)的譜分析，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖。圖8

P-OTDR試驗(yàn)框圖38POTDR的數(shù)據(jù)處理（2）方法2（數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，多點(diǎn)定位）。POTDR的數(shù)據(jù)處理（3）假設(shè)每0.1ms采集一次數(shù)據(jù)并儲存，那么每秒得到10k條數(shù)據(jù)，這樣可以得到在某一固定位置z1處的一條關(guān)于時(shí)間的曲線，如果此處出現(xiàn)擾動(dòng)，在z1處的數(shù)據(jù)會在某一固定常量左右變化。圖9POTDR數(shù)據(jù)譜分析39POTDR的數(shù)據(jù)處理（3）假設(shè)每0.1ms采集一次數(shù)據(jù)并儲存POTDR的數(shù)據(jù)處理（4）對于多點(diǎn)入侵信號，普通的數(shù)據(jù)相減的方法不再適用，因?yàn)榈谝粋€(gè)入侵信號之后的所有擾動(dòng)都被第一個(gè)擾動(dòng)湮沒了，如圖7所示。利用譜分析的方法，第一個(gè)擾動(dòng)之前，沒有擾動(dòng)事件的頻譜成分，第一個(gè)擾動(dòng)之后第二個(gè)擾動(dòng)之前，數(shù)據(jù)中出現(xiàn)第一個(gè)擾動(dòng)的頻譜成分，第二個(gè)擾動(dòng)之后的數(shù)據(jù)出現(xiàn)第一個(gè)和第二個(gè)事件的頻譜成分，三個(gè)擾動(dòng)事件的情況類似……這便是通過POTDR實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)入侵的基本原理。40POTDR的數(shù)據(jù)處理（4）對于多點(diǎn)入侵信號，普通的數(shù)據(jù)相減的拉曼散射分布式傳感器（ROTDR）以上介紹的幾種分布式傳感器雖然數(shù)據(jù)處理方法不同，但都是利用的瑞利散射光，通過檢測瑞利散射光信號受外界調(diào)制產(chǎn)生的變化實(shí)現(xiàn)分布式傳感。基于拉曼散射的分布式傳感器主要應(yīng)用于大范圍、長距離的溫度傳感。在自發(fā)拉曼散射中，可利用拉曼光中斯托克斯部分與反斯托克斯部分強(qiáng)度比與溫度的關(guān)系進(jìn)行傳感。41拉曼散射分布式傳感器（ROTDR）以上介紹的幾種分布式傳感器ROTDR傳感原理拉曼散射光中斯托克斯光的光強(qiáng)與溫度無光，而反斯托克斯光的光強(qiáng)會隨溫度變化。反斯托克斯光光強(qiáng)Ias和斯托克斯光光強(qiáng)Is之比與溫度的關(guān)系可表示為：

a為與溫度相關(guān)的系數(shù)。于是通過實(shí)測斯托克斯-反斯托克斯光強(qiáng)之比可計(jì)算出溫度：h:

普朗克常數(shù)c:

真空光速v0:

入射光頻