全分布式光纤传感技术

许红彬全分布式光纤传感技术提纲全分布式光纤传感技术简介关于PPP-BOTDA的说明NBX-6050A操作说明工程应用实例简介Part.1全分布式光纤传感技术简介1散射光2分布式光纤传感技术分布式传感技术光的散射当光（电磁）波射入介质时，若介质中存在某些不均匀性（如电场、相位、粒子数密度n、声速v等）使光（电磁）波的传播发生变化，有一部分能量偏离预定的传播方向而向空间中其他任意方向弥散开来，这就是光散射。光的散射现象的表现形式是多种多样的，从不同的角度出发，可有不同的分类，但从产物的物理机制来看，可以分为两大类非纯净介质中的光散射纯净介质中的散射非纯净介质中的光散射该散射现象不是介质本身所固有的，而强烈地依赖于掺杂进来的散射中心的性质或介质本身的纯净度。其规律主要表现为：散射光的频率与入射光的频率相同；散射光的强度与入射波长成一定关系。纯净介质中的散射即使所考虑的介质是由成分相同的纯物质组成，其中不含有外来掺杂的质点、颗粒或结构缺陷等，仍然有可能产生光的散射现象，这些散射现象是介质本身所固有的，与介质本身的纯净度没有本质上的关系。属于这类纯净介质的散射现象有如下几种：瑞利散射设介质是由相同的原子或分子组成，由于这些原子或分子空间分布的随机性的统计起伏（密度起伏），造成与电极化特性相应的随机性起伏，而形成入射光的散射。这种散射现象的特点是频率与入射光频率相同，在散射前后原子或分子内能不发生变化，散射光强度与入射光波长的四次方成反比。拉曼散射这种散射现象通常发生在由分子组成的纯净介质中，组成介质的分子是由一定的原子或离子组成的，它们在分子内部按一定的方式运动（振动或转动），分子内部粒子间的这种相对运动将导致感生电偶极矩随时间的周期性调制，从而可以产生对入射光的散射作用；在单色光入射的情况下，这将是散射光的频率相对于入射光发生一定的移动，频移量正好等于上述调制频率，亦即与散射分子的组成和内部相对运动规律有关。布里渊散射对于任何种类的纯净介质来说，由于组成介质的质点群连续不断的做热运动，使得在介质内始终存在着不同程度上的弹性力学振动或声波场。连续介质的这种宏观弹性力学振动，意味着介质密度（从而也是折射率）随时间和空间的周期性起伏，因而可对入射光产生散射作用，这种作用类似于超声波对光的衍射作用，并且散射光的频移大小与散射角及介质的声波特性有关。基于瑞利散射的分布式光纤传感技术瑞利散射的原理是沿光纤传播的光在纤芯内各点都会有损耗，一部分光沿着与光纤传播方向成180°的方向散射，返回光源。利用分析光纤中后向散射光的方法测量因散射、吸收等原因产生的光纤传输损耗和各种结构缺陷引起的结构性损耗，通过显示损耗与光纤长度的关系来检测外界信号场分布于光纤上的扰动信息。由于瑞利散射属于本征损耗，因此可以作为应变场检测参量的信息载体，提供沿光路全程的单值连续检测信号。基于瑞利散射的分布式光纤传感技术瑞利散射是入射光与介质中的微观粒子发生弹性碰撞所引起的，散射光的频率与入射光的频率相同．在利用后向瑞利散射的光纤传感技术中，一般采用光时域反射（OTDR）结构来实现被测量的空间定位，典型传感器的结构如下图所示．依据瑞利散射光在光纤中受到的调制作用，该传感技术可分为强度调制型和偏振态调制型。基于拉曼散射的分布式光纤传感技术拉曼散射中，反斯托克斯光（anti-Stokes）对温度敏感，其强度受温度调制，而斯托克斯（Stokes）基本上与温度无关，两者光强度比只和温度有关，并可有下式表示：40()()exp()asasssITvhvRTITvkT基于拉曼散射的分布式光纤传感技术因此，以反斯托克斯光作为信号通道，斯托克斯光作为参考通道，检测两者光强的比值，就可以解调出散射区的温度信息，同时还可以有效的消除光源的不稳定以及光线传输过程中的耦合损耗、光纤弯曲损耗和传输损耗等的影响。拉曼散射分布式光纤传感器的唯一不足之处是返回信号相当弱，因为反斯托克斯散射光比瑞利散射光强要弱20┄30dB。为了避免信号处理过程中信号平均时间过长，脉冲激光源的峰值功率相当高。基于布里渊散射的分布式光纤传感技术在布里渊散射中，散射光的频率相对于泵浦光有一个频移，该频移通常称为布里渊频移。散射光布里渊频移量的大小与光纤材料声子的特性有直接关系。当与散射光频率相关的光纤材料特性受温度和应变的影响时，布里渊频移大小将发生变化。因此通过测定脉冲光的后向布里渊散射光的频移量就可以实现分布式温度应变测量。目前对布里渊散射的分布式光纤传感器主要集中在以下三个方面的研究基于布里渊光时域反射（BOTDR）技术的分布式光纤传感器基于BOTDR技术的光纤传感技术是在传统的光时域反射仪（OTDR）基础上发展起来的。在OTDR系统中，光脉冲注入光纤系统的一端，光纤中的背向瑞利散射光作为时间的函数，同时带有光纤沿线温度/应变分布的信息：散射光与脉冲光之间的时间延迟提供对光纤的位置信息的测量，散射光的强度提供对光纤的衰减测量。在BOTDR中，背向的自发布里渊散射取代了瑞利散射，由于布里渊散射受温度和应变的影响，因此通过测量布里渊散射便可以得到温度和应变信息。基于布里渊光时域反射（BOTDR）技术的分布式光纤传感器布里渊散射极其微弱，相对于瑞利散射来说要低大约2┄3个数量级，而且相对于Raman散射来说布里渊频移很小（对于一般光纤1550nm时约11GHz左右），检测起来较为困难基于布里渊光频域分析（BOFDA）技术的分布式光纤传感器BOFDA同样是利用布里渊频移特性来实现温度/应变的传感，但其被测量空间定位不再是传统的广时域反射技术，而是通过得到光纤的复合基带传输函数来实现的。SPBfff基于布里渊光时域分析（BOTDA）技术的分布式光纤传感器处于光纤两端的可调谐激光器分别将一脉冲光与一连续光注入光纤，当泵浦光和探测光的频差与光纤中某区域的布里渊频移相等时，在该区域就会产生布里渊放大效应（受激布里渊散射），称之为布里渊受激放大作用，两光束之间发生能量转移。在BOTDA中，当泵浦光的频率高于探测光的频率时，泵浦光的能量向探测光转移，这种传感方式称为布里渊增益型；泵浦光的频率低于探测光的频率时，探测光的能量向泵浦光转移，这种传感方式称为布里渊损耗性。基于布里渊光时域分析（BOTDA）技术的分布式光纤传感器BOTDA技术便利用这一原理，其探测信号可以是布里渊增益信号，也可是布里渊损耗信号。由于布里渊频移与温度、应变存在线性关系，因此在对两激光器的频率进行连续调节的同时，通过检测光纤一端耦合出来的连续光的功率，就可以确定光纤各小段区域上能量转移达到最大时随对应的频率差，从而得到温度应变信息，实现分布式测量。Part.2关于PPP-BOTDA的说明ALLRIGHTSRESERVED.THISDOCUMENTANDANYDATAANDINFORMATIONCONTAINEDTHEREINARECONFIDENTIALANDTHEPROPERTYOFNEUBREXCO.,LTD(NEUBREX)ANDCOPYRIGHT.NOPARTOFTHISDOCUMENT,DATA,ORINFORMATIONSHALLBEDISCLOSEDTOOTHERSORREPRODUCEDINANYMANNERORUSEDFORANYPURPOSEWHATSOEVER,EXCEPTWITHTHEPRIORWRITTENPERMISSIONFROMNEUBREX.1分布式光纤传感技术2分布式光纤传感相关的基本参数3PPP-BOTDA的原理和特点4总结1分布式光纤传感技术22SourceSourcePulseDetectorStimulatedBrillouinScattering（受激布里渊散射光）SensorCWPart.2关于PPP-BOTDA的说明SourcePulseDetectorSpontaneousBrillouinScattering（自发布里渊散射光）SensorBOTDRBOTDA23straine2fibere1e1n2布里渊频率漂移(n2-n1)无应变应变增大n1FrequencyDistance当光纤受到拉压的时候，应变发生位置处的布里渊散射光会产生相应的改变。从频率上看，布里渊频移与光纤轴向应变量成正比。1分布式光纤传感技术Part.2关于PPP-BOTDA的说明2PPP-BOTDA相关的基本参数24测量距离（MeasurementDistance）除了脉冲光宽度之外，测量距离很大程度上取决于实际光纤回路的光损耗：*传输损耗*熔接损耗*弯曲损耗优质的光纤和施工水平，对测量距离和精度，十分关键。SpecificationofNBX-7000*注：传输损耗为0.3dB/km条件下脉冲光宽度0.5ns1ns2ns5ns10ns测量距离*1km2km5km10km20kmPart.2关于PPP-BOTDA的说明2PPP-BOTDA相关的基本参数25测量精度（Accuracy）测量精度（或称为准确度）是指实测结果（resultofameasurement）和真实值（truevalue）之间的差异。应变测量精度7.5微应变温度测量精度0.35摄氏度SpecificationofNBX-7000Part.2关于PPP-BOTDA的说明2PPP-BOTDA相关的基本参数26重复性（Repeatability）重复性是指对恒定的实验对象（thesamemeasurand）进行连续测量时，多次测量结果的偏差范围。应变重复性2.4微应变温度重复性0.1摄氏度SpecificationofNBX-7000Part.2关于PPP-BOTDA的说明2PPP-BOTDA相关的基本参数27空间分辨率（SpatialResolution）脉冲光宽度0.5ns1ns2ns5ns10ns空间分辨率5cm10cm20cm50cm1m空间分辨率越高（长度越小），对光纤局部变化的感知能力越强。当光纤上产生的应变或温度改变的范围大于所设定的空间分辨率时，该变化量能被测量仪准确地反映出来。SpecificationofNBX-7000Part.2关于PPP-BOTDA的说明3PPP-BOTDA的原理和特点28a.是BOTDA系统的升级产品b.在导入脉冲光（泵浦光）之前，加载适当的脉冲预泵浦光（Dpre），预先激发声子c.通过适当设置脉冲光与脉冲预泵浦光的功率比（Rp：消光系数），可以降低多余的输出功率。脉冲预泵浦布里渊光时域分析法Pulse-PrePumpBrillouinTimeDomainAnalysis0探测光(CW)ACWt0ｚ=0ｚ=L光纤ｚ泵浦光（阶跃脉冲）AP+CPtDDpreCPAp(t)ε2PPPpCCARPart.2关于PPP-BOTDA的说明3.1BOTDA/R技术的难点29tzietzh)])(([BBB),(ννΔνΔνt=1ns高分辨率(1m)缩短了泵浦光和探测光之间的相互作用时间，因此导致了声子的受激时间不充分。•声子受激需要近28ns的时间•伴随空间分辨率的提高(1m:10ns)，布里渊增益频谱(BGS)的半值全宽(FWHM)逐渐增大，曲线趋于平坦。•脉冲宽度短于1ns（10cm）时，BGS的FWHM将接近1GHz。•较宽的FWHM使得中心频率的精确测量变得极为困难。普通的BOTDA技术：无法同时实现高空间分辨率(1m)和高精度(±50me)PPP技术是改善这一问题的有效手段Part.2关于PPP-BOTDA的说明3PPP-BOTDA的原理和特点4技术特点总结30基于理论分析和实验检验：1)利用1ns的极短的泵浦光脉冲，本系统也能获得足够的受激布里渊散射光强度2)在1ns的脉冲光入射之前，导入一个13ns宽的预泵浦脉冲，布里渊增益频谱的半值全宽将会减少到30MHz（从仅使用脉冲光时的1GHz）3)适当设置脉冲光和脉冲预泵浦光的消光系数，来自脉冲预泵浦光的信号能够被有效控制，实现10cm的空间分辨率PPP-B