第九章分布式光纤传感技术

分布式光纤传感技术与应用1分布式光纤传感技术利用光波在光纤中传输的特性，可沿光纤长度方向连续的传感被测量（如温度、压力、应力和应变等）光纤既是传感介质，又是被测量的传输介质。优点：可在很大的空间范围内连续的进行传感，是其突出优点。传感和传光为同一根光纤，传感部分结构简单，使用方便。与点式传感器相比，单位长度内信息获取成本大大降低，性价比高。2分布式光纤传感器的特征参量空间分辨率指分布式光纤传感器对沿光纤长度分布的被测量进行测量时所能分辨的最小空间距离。时间分辨率指分布式光纤传感器对被测量监测时，达到被测量的分辨率所需的时间。被测量分辨率指分布式光纤传感器对被测量能正确测量的程度。以上三个分辨率之间有相互制约的关系。3典型的分布式光纤传感器4-1相位调制型传感器Mach-Zehnder干涉式传感器Sagnac干涉式传感器4-2散射型传感器布里渊散射型光纤传感器拉曼散射型光纤传感器4M-Z干涉型光纤传感器的信号处理信号处理的目标——1).对干扰事件进行定性通过解调获得干扰臂的相位变化，进而根据相位变化情况分析干扰产生原因。5利用3*3耦合器解调原理图M-Z干涉型光纤传感器的信号处理通过顺时针和逆时针传输的相位受干扰光信号到达A点和B点的时延差可计算出产生干扰的位置。A点和B点分别对应M-Z干涉仪两个耦合器的位置。P点是干扰发生的位置使用时使干涉仪两臂中同时存在顺时针和逆时针传输的光(2)/TLZV6信号处理的目标——2).对干扰事件进行定位（适用于周界监控及管道监控等应用）耦合器C2和C3构成M-Z干涉仪在计算机中对PD1和PD2接收到的光信号进行互相关计算，就可以获得干扰出现的时延差，继而实现干扰定位利用M-Z干涉仪进行分布式传感的系统结构图7(2)光纤SAGNAC干涉型分布式传感器激光器发出的光经耦合器分为两束分别耦合进由同一光纤构成的光纤环中，沿相反方向传输，并于耦合器处再次发生干涉。当传感光纤没有受到干扰时，干涉现象趋于稳定；受到外界干扰时，正反向两光束会产生不同的相移，并于耦合器处发生干涉，干涉信号的光强与干扰发生位置具有一定关系。R1R2Sagnac干涉仪的另一个典型应用是光纤陀螺，即当环形光路有转动时，顺逆时针的光会有非互易性的光程差，可用于转动传感8光纤SAGNAC干涉型分布式传感器定位原理当干扰源信号是正弦信号（或形如正弦信号）时，接收信号的功率幅值为00sin()2ssPP零点频率发生在0,,.......2sN,,12(2)snullsnullNcfnLR干扰源位置R1与第N个零频之间的关系为通过分析接收光信号的零频点位置即可获得干扰源的位置2112()/nRRc（上）有干扰时光强信号的理论计算值（下）实验值92散射型光纤传感器利用背向瑞利散射——OTDR利用布里渊散射——B-OTDR、B-OTDA利用拉曼散射——R-OTDR10(1)光纤中的背向散射光分析布里渊散射和拉曼散射在散射前后有频移，是非弹性散射斯托克斯光反斯托克斯光1112(2)BOTDR——光时域布里渊散射光纤传感器布里渊散射产生机理是入射光与声波或传播的压力波相互作用的结果，这个传播的压力波等效于一个以一定速度移动的密度光栅。因此布里渊散射可以看成是入射光在移动光栅上的散射。多普勒效应使散射光频率不同于入射光。BOTDR——布里渊散射量子光学描述：入射光波（泵浦）与介质内弹性声波场作用中，一泵浦光子湮灭产生一声学声子和散射(Stokes)光子。散射光与泵浦波的传播方向相反，与入射波的频移（在1.55mm处）约为：fB=11.1GHZ。分为自发布里渊散射和受激布里渊散射两种13BOTDR——传感原理布里渊散射斯托克斯光相对于入射光的频移为：cnvvvsB02介质折射率入射光频率介质中声速)21)(1()1(kkEkvs介质的杨氏模量介质密度泊松比温度应力热光效应弹光效应折射率变化声速变化调制介质的E、k、密度布里渊频移变化14BOTDR——传感原理布里渊散射光频移会随着温度和光纤应变的上升而线性增加：fB=fB0+fTT(℃)+fεε(με)布里渊散射光功率会随温度的上升而线性增加,随应变增加而线性下降：PB=PB0+PTT(℃)+Pεε(με)通过测量布里渊散射光频移和光功率，就可以求得被测量点的温度和应力的大小。通过测量布里渊散射光频移和光功率，就可以求得被测量点的温度和应力的大小。15ROTDR时域背向拉曼散射分布式光纤传感器当光纤局域位置(L=Lo处)的温度变化时，调制了光纤拉曼散射光子通量，也就是光纤拉曼背向散射的温度调制机理。反斯托克斯拉曼散射对温度的敏感系数比斯托克斯拉曼散射要大得多。因此通常都将反斯托克斯拉曼散射用作信号通道，作为计算温度的主要依据。30km的FGC-30拉曼测温系统，其空间分辨率为3m、温度分辨率为0.1℃、测温范围为0～+100℃测温原理Is斯托克斯光光强反斯托克斯光光强温度变化斯托克斯光：波长大于入射光反斯托克斯光：波长小于入射光测温原理：Ias/Is＝ae-kcv/kTIasIs不变Ias变化同步控制光源恒温耦合器耦合器滤波器滤波器探测器数据采集与处理后台控制StokesAnti-Stokes传感光纤测温区域拉曼散射强度比瑞利散射强度低20~30dBm，要求脉冲峰值功率很高；拉曼散射只受到环境温度的影响，而对应力变化不敏感；相对基于喇曼散射的传感系统来说，基于布里渊散射的传感系统：1）它能同时对温度和应力进行探测；2）探测作用距离远，能达到100公里，空间分辨率达到5米；3）成本费用低。BOTDR——布里渊频移系数对于温度的布里渊频移系数是1.22M/度（@1310nm），1M/度（@1550nm）对于应力的布里渊频移系数是581M/%（@1310nm），493M/%（@1550nm）温度的影响较小。20BOTDR与BOTDA(BRILLOUINOPTICALTIMEDOMAINANALYSIS)BOTDR系统从一端输入泵浦脉冲，在同一端检测返回信号的中心波长和功率。使用方便，但自发布里渊散射信号很微弱，检测困难。在BOTDA中，处于光纤两端的可调谐激光器分别将一脉冲光（泵浦光）与一连续光（探测光）注入传感光纤。利用受激布里渊散射效应，散射光强度更强21BOTDR——定位原理对一定频谱范围连续不断的进行循环扫描，获得各个时间段上的光谱，并将时间与位置相对应，即可获得沿光纤各位置处的布里渊频谱图，并获得异常的布里渊频移量和散射光功率。22BOTDR——优缺点优点：1.连续分布式测量温度和应变2.高温度和应变分辨率4.高空间分辨率5.超长传感范围(超过80公里)6.同一根光纤既可用于传感，也可用于通信缺点：需要激光器的输出稳定、线宽窄，对光源和控制系统的要求很高；由于自发布里渊散射相当微弱（比瑞利散射约小两个数量级），检测比较困难，要求信号处理系统具有较高的信噪比;由于在检测过程中需进行大量的信号加法平均、频率的扫描等处理,因而实现一次完整的测量需较长的时间,实时性不够好。24检测30km光纤沿线的应变，空间分辨力可达1m。应变精度:20μe(0.002%)温度精度:1°C取样时间:20s至5min(典型值：2min)25（3）ROTDR——光时域拉曼散射光纤传感器拉曼散射产生机理：在任何分子介质中，光通过介质时由于入射光与分子运动相互作用会引起的频率发生变化的散射，此过程为拉曼散射量子力学描述：分子吸收频率为V0的光子，发射V0-Vi的光子，同时分子从低能态跃迁到高能态（对应斯托克斯光）；分子吸收频率为V0的光子，发射V0+Vi的光子，同时分子从高能态跃迁到低能态（反斯托克斯光）。26ROTDR——传感原理拉曼散射由分子热运动引起，所以拉曼散射光可以携带散射点的温度信息。反斯托克斯光的幅度强烈依赖于温度，而斯托克斯光则不是。则通过测量斯托克斯光与反斯托克斯光的功率比，可以探测到温度的变化。由于自发拉曼散射光一般很弱，比自发布里渊散射光还弱10dB，所以必须采用高输入功率，且需对探测到的后向散射光信号取较长时间内的平均值。此方法上世纪80年代就已被提出，并商用化。27ROTDR——传感原理基于自发拉曼散射的分布式光纤温度传感器原理光纤中自发拉曼散射的反斯托克斯光与温度紧密相关。常温下(T=300K)其温敏系数为8‰/℃。采用反斯托克斯与斯托克斯比值的分布式光纤温度测量，其结果消除了光源波动、光纤弯曲等因素的影响，只与沿光纤的温度场有关，因此可长时间保证测温精度。28几种散射式传感技术的比较应用场合优点缺点OTDR断点、损伤检测连续显示衰减情况有盲区BOTDR应力、温度测量精度和分辨率高要求极窄线宽、可调线宽激光器；交叉干扰；功率低BOTDA应力、温度测量精度和分辨率高，大动态范围系统复杂；两端测量；不能检测断点；交叉干扰ROTDR温度较高测温精度返回的信号弱，大功率光源29(5)分布式光纤传感技术的应用30分布式光纤传感技术的应用——周界防护光缆传感监控系统工程施工实例根据防范的不同场合和要求，光纤可以构成各种形状，环置于需要防范的周界处的适当位置，当入侵者侵入时，系统都会发出告警信号31光波所为国庆60周年通州阅兵村提供的光缆预警系统采用的就是分布式光纤传感技术分布式光纤传感技术用于航空领域的多参量监测太空飞船X-38的再入式实验飞行器（NASA图片）传感器布测区域a.分布式温度传感方案b.分布式应力传感方案输出信号沿光纤传输光的背向散射分量光纤温度传感元平面温度场分布输入信号埋入光纤应力传感元输入信号输出信号光纤监测网损伤探测光纤蒙皮33分布式光纤传感技术的应用——管道泄露监测34各种分布式光纤传感技术的应用传感原理传感监测量应用领域B-OTDR应力，温度管道泄露监测，结构健康监测等R-OTDR温度油气油井里温度分布监测、管道泄露监测等M-Z微振动周界防护等Sagnac较有规律的微振动气体管道泄露监测、周界防护等35应用场合优点缺点OTDR断点、损伤检测连续显示衰减情况有盲区BOTDR应力、温度测量精度和分辨率高要求极窄线宽、可调线宽激光器；交叉干扰；功率低BOTDA应力、温度测量精度和分辨率高，大动态范围系统复杂；两端测量；不能检测断点；交叉干扰ROTDR温度较高测温精度返回的信号弱，大功率光源拉曼时域法拉曼频域法布里渊时域法布里渊频域法三种分布式光纤温度传感器参数比较传感类型工作带宽测量时间高速采样信号处理光源空间分辨率温度分辨率传感距离宽短需要简单几百nW1130窄长不需要复杂几百nW1110宽短需要简单几十nW1111窄长不需要复杂几十nW1111