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分布式光纤传感技术与应用 内容概要 光纤传感技术简介光纤传感器的分类光纤传感技术的发展分布式光纤传感技术相位调制型分布式传感器散射型分布式传感器分布式光纤传感技术的应用 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 3 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 4 典型的分布式光纤传感器 相位调制型传感器Mach Zehnder干涉式传感器Sagnac干涉式传感器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 5 相位调制型光纤传感器 相位调制当光纤受到机械应力作用时 光纤的长度 芯径 纤芯折射率都将发生变化 这些变化将导致光波的相位变化 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 之后再解调获得相位变化 光的干涉 光的干涉条件 相干光源S1 S2发出的光波在空间P点相遇 两列波在P点的干涉本质上是两个同方向 同频率的电磁简谐振动的叠加 相干条件 频率相同 振动方向相同 相位差恒定 1 M Z干涉型光纤传感器用作分布式振动传感 随机干扰 干涉臂相位的随机变化 干涉仪输出功率的随机变化 以M Z干涉仪作为周界监控系统时 入侵事件出现将导致接收信号功率的变化 8 M 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 9 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 10 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 11 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 R1R2 Sagnac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 12 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 OTDR 13 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 14 2 光时域反射 OTDR 技术 光时域反射 OTDR OpitcalTime DomainReflectometry 技术最初被用于检验光纤线路的损耗特性以及故障分析 当光脉冲在光纤中传输的时候 由于光纤本身的性质 连接器 接头 弯曲或其他类似事件而产生散射 反射 其中背向瑞利散射光和菲涅尔反射光将返回输入端 主要是瑞利散射光 瑞利散射是光波在光纤中传输时由于光纤纤芯折射率在微观上的起伏而引起的线性散射 是光纤的固有特性 光时域反射计将通过对返回光功率与返回时间的关系获得光纤线路沿线的损耗情况 15 光时域反射 OTDR 技术 散射型分布式传感技术对被测量的空间定位多基于光时域反射技术 即向光纤中注入一个脉冲 通过反射信号和入射脉冲之间的时间差来确定空间位置 d为事件点距离系统终端的距离 c为真空光速 n为光纤有效折射率脉冲的重复频率决定了可监测的光纤长度 而脉冲的宽度决定了空间定位精度 10ns宽度对应空间分辨率1m 16 利用OTDR技术测量光纤沿线背向反射光功率的结果 18 3 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 19 BOTDR 传感原理 布里渊散射斯托克斯光相对于入射光的频移为 介质折射率 入射光频率 介质中声速 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 20 2019 12 19 21 可编辑 BOTDR 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 f 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 P 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 22 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 23 BOTDR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 24 BOTDR 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 25 BOTDR 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 26 检测30km光纤沿线的应变 空间分辨力可达1m 应变精度 20 e 0 002 温度精度 1 C取样时间 20s至5min 典型值 2min 27 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 28 ROTDR 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 29 ROTDR 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 30 几种散射式传感技术的比较 31 5 分布式光纤传感技术的应用 32 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 33 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 光纤蒙皮 35 分布式光纤传感技术的应用 管道泄露监测 36 如果