分布式光纤传感技术

1、会计学1分布式光纤传感技术分布式光纤传感技术234信号处理光受信器光发送器光纤耦合器被测对象5发生变化，通过检测干涉效果的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。）（kztEEcos0kztkE,067传感器传感器光学现象光学现象被测量被测量光纤光纤分类分类干涉型相位调制型弹光效应Sagnac效应电、磁致伸缩振动、压力、加速度、位移角速度电场、电压、电流、磁场SM、PMSM、PMSM、PMaaa非干涉型强度调制型遮光板遮断光路光纤微弯损耗气体分子吸收位移振动、压力、加速度、位移气体浓度MMSMMMbbb偏振调制型法拉第效应泡克尔斯效应双折射变化电流、磁场电场、电压、温度SMMMSM

2、b,abb频率调制型多普勒效应拉曼散射布里渊散射速度、流速、振动、加速度温度温度、应力MMMMMMcaa光纤传感器的分类光纤传感器的分类注：MM多模；SM单模；PM偏振保持；a,b,c：功能型、非功能型、拾光型8910这是一件嵌入了光这是一件嵌入了光纤和电导线的背心纤和电导线的背心，能够感知环境温，能够感知环境温度及化学成分的变度及化学成分的变化，用于医学和军化，用于医学和军事应用。事应用。11埋入了六根光埋入了六根光纤的纺织品纤的纺织品12131415LLneff2/2effn是光在光纤中的传播常数是光在光纤中的传播常数由于相位变化很难直接检测，所以实由于相位变化很难直接检测，所以实际中通常

3、使光发生干涉，将相位的变际中通常使光发生干涉，将相位的变化转变为光强的变化进行检测，之后化转变为光强的变化进行检测，之后再解调获得相位变化再解调获得相位变化光的干涉P1S2S1r2r光的干涉条件：光的干涉条件： 相干光源相干光源S S1 1、S S2 2发出的光发出的光波在空间波在空间P P点相遇，两列波点相遇，两列波在在P P点的干涉本质上是两个点的干涉本质上是两个同方向、同频率的电磁简同方向、同频率的电磁简谐振动的叠加。谐振动的叠加。)cos()cos(222111tkraEtkraE212cross()cos2LLT随机干扰随机干扰干涉臂相位的随机变化干涉臂相位的随机变化干涉仪输出功率的

4、随机变化干涉仪输出功率的随机变化以以M-ZM-Z干涉仪作为周界监干涉仪作为周界监控系统时，入侵事件出控系统时，入侵事件出现将导致接收信号功率现将导致接收信号功率的变化的变化1819利用利用3 3* *3 3耦合器解调原理图耦合器解调原理图通过顺时针和逆时针传输的相位受干扰光通过顺时针和逆时针传输的相位受干扰光信号到达信号到达A A点和点和B B点的时延差可计算出产生点的时延差可计算出产生干扰的位置。干扰的位置。A A点和点和B B点分别对应点分别对应M-ZM-Z干干涉仪两个耦合器的位置。涉仪两个耦合器的位置。P P点是干扰发生的位置点是干扰发生的位置使用时使干涉仪使用时使干涉仪两臂中同时存在两

5、臂中同时存在顺时针和逆时针顺时针和逆时针传输的光传输的光(2 )/TLZ V 20信号处理的目标信号处理的目标2).2).对干扰事件进行定位对干扰事件进行定位（适用于周界监控及管道监控等应用）（适用于周界监控及管道监控等应用）耦合器耦合器C2C2和和C3C3构成构成M-ZM-Z干涉仪干涉仪在计算机中对在计算机中对PD1PD1和和PD2PD2接收接收到的光信号进行互相关计算到的光信号进行互相关计算，就可以获得干扰出现的时，就可以获得干扰出现的时延差，继而实现干扰定位延差，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21R1 R2 SagnacSagnac干涉仪的另一个典型应用是干涉

6、仪的另一个典型应用是光纤陀螺，即当环形光路有转动时光纤陀螺，即当环形光路有转动时，顺逆时针的光会有非互易性的光，顺逆时针的光会有非互易性的光程差，可用于转动传感程差，可用于转动传感2200sin()2ssPP零点频率发生在零点频率发生在 0, ,.2sN,12(2)s nulls nullNcfn LR干扰源位置干扰源位置R1R1与第与第N N个零频之间的关系为个零频之间的关系为通过分析接收光通过分析接收光信号的零频点位信号的零频点位置即可获得干扰置即可获得干扰源的位置源的位置2112()/n RRc （上）有干扰时光强信号的理论计算值（下）实验值（上）有干扰时光强信号的理论计算值（下）实验值

7、2324布里渊散射和拉曼散射布里渊散射和拉曼散射在散射前后有频移，是在散射前后有频移，是非弹性散射非弹性散射斯托克斯光反斯托克斯光2526ncd2272930布里渊散射斯托克斯光相对于入射光的频移为：布里渊散射斯托克斯光相对于入射光的频移为：cnvvvsB02介质折射率介质折射率入射光频率入射光频率介质中声速介质中声速)21)(1 ()1 (kkEkvs介质的杨氏模量介质的杨氏模量介质密度介质密度泊松比泊松比温度温度应力应力热光效应热光效应弹光效应弹光效应折射率折射率变化变化声速声速变化变化调制介质的调制介质的E E、k k、密度、密度布里渊频布里渊频移变化移变化31通过测量布里渊通过测量布里

8、渊散射光散射光频移频移和光功率，就可以求得被测和光功率，就可以求得被测量点的温度和应力的大小。量点的温度和应力的大小。 通过测量布里渊通过测量布里渊散射光散射光频移频移和光功率，就可以求得被测和光功率，就可以求得被测量点的温度和应力的大小。量点的温度和应力的大小。 32。33BOTDRBOTDR系统从一端输入泵浦脉冲系统从一端输入泵浦脉冲，在同一端检测返回信号的中，在同一端检测返回信号的中心波长和功率。使用方便，但心波长和功率。使用方便，但自发布里渊散射信号很微弱，自发布里渊散射信号很微弱，检测困难。检测困难。在在BOTDABOTDA中，处于光纤两端的可中，处于光纤两端的可调谐激光器分别将一脉

9、冲光（调谐激光器分别将一脉冲光（泵浦光）与一连续光（探测光泵浦光）与一连续光（探测光）注入传感光纤。利用受激布）注入传感光纤。利用受激布里渊散射效应，散射光强度更里渊散射效应，散射光强度更强强34对一定频谱范围连续不断的进行循环扫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。里渊频移量和散射光功率。35,363738用化。39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

10、散射的反斯托克斯光与温度紧密光纤中自发拉曼散射的反斯托克斯光与温度紧密相关。常温下相关。常温下(T=300K)(T=300K)其温敏系数为其温敏系数为8/8/。 采用反斯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。度场有关，因此可长时间保证测温精度。40应用场合应用场合优点优点缺点缺点OTDROTDR断点、损断点、损伤检测伤检测连续显示衰减情连续显示衰减情况况有盲区有盲区BOTDRBOTDR应力、

11、温应力、温度度测量精度和分辨测量精度和分辨率高率高要求极窄线宽、可调线要求极窄线宽、可调线宽激光器；交叉干扰；宽激光器；交叉干扰；功率低功率低BOTDABOTDA应力、温应力、温度度测量精度和分辨测量精度和分辨率高，大动态范率高，大动态范围围系统复杂；两端测量；系统复杂；两端测量；不能检测断点；交叉干不能检测断点；交叉干扰扰ROTDRROTDR温度温度较高测温精度较高测温精度返回的信号弱，大功率返回的信号弱，大功率光源光源4142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根据防范的不同场合和要求，光纤可以构成各种形状，光纤可以构成各种形状，环置于需要防范的周界处的环置于需要防范的周界

12、处的适当位置，当入侵者侵入时适当位置，当入侵者侵入时，系统都会发出告警信号，系统都会发出告警信号43光波所为国庆光波所为国庆60周年通州阅兵村提供的光缆周年通州阅兵村提供的光缆预警系统采用的就是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太空飞船太空飞船X-38X-38的再入式实验飞行器的再入式实验飞行器（NASANASA图片）图片）传感器布测区域传感器布测区域a.a.分布式温分布式温度传感方案度传感方案b.b.分布式应分布式应力传感方案力传感方案输出信号输出信号沿光纤传输光的沿光纤传输光的背向散射分量背向散射分量光纤温度传光纤温度传感元平面感元平面温度场分布温度场分布输入信号输入信

13、号埋入光纤埋入光纤应力传感应力传感元元输入信号输入信号输出信号输出信号光纤监测网光纤监测网损伤探测损伤探测光纤蒙皮光纤蒙皮4546传感原理传感原理传感监测量传感监测量应用领域应用领域B-OTDRB-OTDR应力，温度应力，温度管道泄露监测，结构管道泄露监测，结构健康监测等健康监测等R-OTDRR-OTDR温度温度油气油井里温度分布油气油井里温度分布监测、监测、管道泄露监测管道泄露监测等等M-ZM-Z微振动微振动周界防护周界防护等等SagnacSagnac较有规律较有规律的微振动的微振动气体管道泄露气体管道泄露监测监测、周界防护等周界防护等474849通过顺时针和逆时针传输的相位受干扰光通过顺时针和逆时针传输的相位受干扰光信号到达信号到达A A点和点和B B点的时延差可计算出产生点的时延差可计算出产生干扰的位置。干扰的位置。A A点和点和B