分布式光纤泄露检测总结概要.doc

目目 录录 第第 1 章章 绪论绪论 1 1 1 引言 1 1 2 管道泄漏检测方法 2 1 3 管道检漏方法评估 4 1 4 管道泄漏检测技术发展趋势 5 第第 2 章章 分布式光纤温度传感的基本理论分布式光纤温度传感的基本理论 6 2 1 光纤传感技术简介及分类 6 2 2 分布式光纤传感技术 7 2 3 典型的分布式光纤传感器 8 第第 3 章章 分布式光纤温度传感系统及技术分布式光纤温度传感系统及技术 16 3 1 系统组成 16 3 2 激光脉冲光源 17 3 3 光电探测器 18 3 4 散射光的分离 19 3 5 系统定标 20 第第 4 章章 系统的信号处理技术系统的信号处理技术 22 分布式光纤生产厂家 公司 附表分布式光纤生产厂家 公司 附表 24 本文内容主要整理参考于其他文献本文内容主要整理参考于其他文献 1 第第 1 章章 绪论绪论 1 1 引言引言 目前 全世界大型输油管总长超过 200 万公里 并且以每年 4 5 万公里的 速度递增 由于管道输送在运送气体 液体 浆体等散装物品方面所具有的独 特优势 管道工业在国民经济中占有重要的位置 但是随着管线的增多 管龄 的增长 由于施工缺陷和腐蚀等问题和人为破坏的存在 管道事故频频发生 给人们的生命 财产和生存环境造成了巨大的威胁 目前国内外油气管道泄漏实时监测技术主要通过检测管道输送压力 流量 温度等参数的变化或者检测泄漏噪声来判断是否发生泄漏 如质量平衡法 压 力波分析法 实时模型法 统计检漏法等 由于该类测试方法受到流体特性 输送工艺以及测试仪器的灵敏度和测试精度等因素的限制 该类技术可以检测 到最小泄漏量为管道输送总流量的 1 定位精度为管道总长度 1 一般来说 传统的温度测量中使用的是点式测量 各处分布的大量传感器测量并汇聚测量 数据 根据测量物理性质的不同 有各种测量技术 根据温度范围和应用性质 等采用不同的测量方法 所有这些方法有一个共同的限制 它们只能测量一点 的温度 在一些应用中 需要在一个大的范围收集温度信息 这就需要大量的 传感器 从而对布线 安装等带来困难 分布式光纤温度传感系统能很好的解决这一问题 与传统传感器相比 分 布式光纤温度传感器具有诸多优点 集传感与传输于一体 可实现远距离测量与 监控 一次测定就可以获取整个光纤区域的一维分布图 能在一条长达数千米 的传感光纤环路上获得几千条信息 因此单位信息成本显著降低 测量范围宽 具有高空间分辨率和高精度 在具有强电磁干扰或易燃易爆以及其它传感器无 法接近的恶劣环境下 分布式光纤温度传感器具有无可比拟的优点 光纤传感 器作为一种测量新技术 利用光波导原理 具有损耗低 频带宽 线径细 重 量轻 可挠性好 抗电磁干扰 耐化学腐蚀 原料丰富 制造过程能耗少 节 约大量有色金属等突出优点 近年来逐渐扩大应用范围和应用领域 2 1 2 管道泄漏检测方法管道泄漏检测方法 管道在国民经济中的地位越重要 管道的安全运行越受重视 作为管道运 行监控重要组成部分的泄漏检测技术一直在不断发展中 目前已有多种管道泄 漏检测方法在检测方式和技术手段方面差别较大 从最简单的人工分段沿管道 巡线到复杂的软硬件相结合的实时模型方法 从陆地检测发展到海底检测 甚 至利用飞机或卫星遥感检测大范围管网等 对管道泄漏检测技术还没有统一的 系统分类方法 这里从检测参数的角度将各种检测方法分为直接检漏法和间接 检漏法 直接检漏法直接检漏法 直接检漏法是利用安装在管道外边的检测器 直接检测漏到管外的输送液 体或其挥发气体 从而达到检漏目的 直接检漏法包括主要有检漏电缆法 导 电高聚合物检漏法 传感光缆法 红外线法等 1 检漏电缆法 该方法是沿管线埋设附有易被碳氢化合物溶解的绝缘材料 的两芯电缆 或非透水性但具有透油性材料制成的同轴电缆 优点是不需要在 管线上配备任何地面检测设备 就能快速准确地检测出管道微小渗漏及其位置 2 导电高聚合物检漏法 探测电缆由两根常规绝缘导线和两根探测导线 组成 外包特种导电高聚物 这种方法利用探测导线检测电缆中的水蒸气判断 管道绝缘层的浸水点和泄漏点 适用十绝缘管道的检漏 3 油检测元件法 这种方法是沿管道外层设置一种导电性粉体元件 当 泄漏的油接触到该元件时 其电阻会急剧变化 在管道端部 通过测量处理电 阻变化参数 可以确定泄漏位置 4 油溶性压力管法 将充注压缩空气的油溶性软管缠在管道外围 当有 溶油时 软管溶解产生漏洞断裂 压缩空气外泄 管内压力下降 由此即可测 知泄漏 这种方法只有一次性使用 发现泄漏后 该处软管即损坏 更换非常 困难 5 传感光缆法 沿管线铺设一条传感光缆 拾取管道周围的异常压力 声 音和振动信号 发现和定位管道泄漏和可能引起管道损伤的第 3 方责任事件 或者利用对原油和成品油等碳氢化合物敏感的传感光缆来检测和定位泄漏 3 6 红外线法 利用机载或星载精密红外摄像装置 记录管道周围地热辐射 效应或管道上方空气光谱 利用光谱分析检测泄漏及其位置 间接检漏法间接检漏法 间接检漏法是指检测因泄漏对管道运行参数造成的影响 如流体压力 流 量的变化来判断是否发生泄漏 1 流量平衡法 根据流出和流人管道的介质质量 体积之间的差值判断管 道泄漏 优点是可靠性高 可以检测小流量泄漏 缺点是不能对泄漏做出定位 且实时性差 2 负压波检漏法 管道泄漏会产生沿管道分别向上 下游传播的瞬态负压 波 在管道两端分别安装压力传感器 根据传感器捕捉的负压波判断泄漏 并 根据负压波到达管道两端的时间差定位泄漏 3 压力 流量梯度法 发生泄漏时 管道内的压力分布发生变化 漏点前 的流量增大 压力梯度变陡 漏点后的流量减小 梯度变平 管道内压力梯度呈 折线状下降 按照管道入口和出口的压力梯度作线 交汇点就是泄漏的位置 4 管内智能爬行机法 爬行机已经广泛使用在管道工业中 配置各种传感 器的智能爬行机检测系统可以用来周期性检测管道因腐蚀或其它原因造成的损 伤 评估管道的完整性 发现泄漏和预报泄漏隐患 5 统计检漏法 泄漏导致管道内压力和流速之间的关系发生变化 根据管 道两端的流速和压力 连续计算发生泄漏的统计概率 根据管道两端流速和压 力及统计平均值估计泄漏速度 使用最小二乘法对无分支管道泄漏进行定位 6 声学方法 沿管道按照一定间隔离散地安装大量传感器 借助对泄漏孔 两侧传感器采集的声音信号进行相关处理来检测与定位泄漏 随着光纤传感技 术的发展 出现了连续型分布式光纤传感器进行泄漏声音检测和定位 7 实时模型法 建立管道实时模型 在一定边界条件下求解管道内流场 然后将计算值与管道两端的实测值进行比较 根据实测值与计算值的偏差判断 泄漏 并根据管道内压力梯度变化确定泄漏点位置 1 3 管道检漏方法评估管道检漏方法评估 管道测漏的方法比较多 各种方法都有自己的优点及使用范围 选择时要 4 根据其实际情况选用不同的检测方法 可将上述泄漏诊断系统的特征细分为以 下指标进行综合考察 检测方法的比较如表 1 1 所示 各种方法的性能和管道的运行状况 设备及仪器的精度等很多实际因素都 是密切相关的 可以根据不同管道泄漏检测的实际情况 选择一个比较合适的 泄漏检测系统 或者适当选择其中的几种检测方法联合使用 有的作为主要检 测手段 有的作为辅助检测手段 互相弥补不足 则可以取得良好的检测效果 1 4 管道泄漏检测技术发展趋势管道泄漏检测技术发展趋势 随着管道工业的不断发展 管道泄漏检测技术也将得到不断提高 通过研 制和开发新型高效的管道泄漏检测系统可以有效地提高泄漏检测及定位的灵敏 度 精确度和可靠性 5 应用以软件方法为主 硬件方法为辅的软硬件结合方法进行输油管道泄漏 检测 近年来 计算机技术 控制理论 信号处理 模式识别 人工智能等学 科的发展促进了以软件为主的输油管线实时泄漏检测技术的发展 这种方法能 实现实时在线监测 及时给出报警信号 因此这方面的检测技术仍将是研究的 热点和趋势 而且作为非线性时变参数的管道系统 自适应的思想在检测和定 位算法中也将发挥越来越重要的作用 但是基于硬件的方法有很高的定位精度 和较低的误报警率 因此硬件方法和软件方法互补 可以满足管道泄漏检测系 统的要求 泄漏检测系统与 SCADA Supervisory Control And Data Acquisition 系 统 即数据采集与监视控制系统的结合是管道泄漏检测的发展方向 SCADA 系 统不仅能为泄漏检测提供数据源 而且能对管道的运行状况进行监控 由于单 一的检漏系统并不经济 因此它将集成到 SCADA 系统中 充分利用 SCADA 系统 的功能 并成为 SCADA 系统中不可缺少的一部分 光纤传感器是近年来发展的一个热点 它在实现物理量测量的同时可以实 现信号的传输 在解决信号衰减和抗干扰方面有着独特的优越性 并且具有传 统传感器所无法比拟的优势 此外 随着各种分布式光纤传感器的发展 未来 可以实现利用一根或几根光纤对油气管线内介质的温度 压力 流量 管壁应 力以及管道周围环境的振动进行分布式在线测量 这将在管道监控系统中极具 应用潜力 因此 将分布式的光纤传感器应用于管道检测有着良好的前景 充分利用分布式光纤传感的优势 根据我国原油需要加热传输的实际 建 立基于分布式光纤温度传感的管道泄漏检测系统 以达到及时发现泄漏 准确 地确定其位置的目的 对于减少由于原油泄漏产生的各种损失很有意义 并可 推广到天然气管道 城市煤气管网的管理以及大型化工厂产品输送的应用中 并且可应用到变电站和开关柜的监测 以及火灾探测与电缆沟槽的监测等需要 分布式测温和报警的领域 对于环境保护 节约能源有积极的作用 6 第第 2 章章 分布式光纤温度传感的基本理论分布式光纤温度传感的基本理论 2 1 光纤传感技术简介及分类光纤传感技术简介及分类 光纤传感器用光作为敏感信息的载体 用光纤作为传递敏感信息的媒质 同时具有光纤及光学测量的特点 电绝缘性能好 抗电磁干扰能力强 非侵入性 高灵敏度 容易实现对被测信号的远距离监控 光纤传感器可测量位移 速度 加速度 液 位 应变 压力 流量 振动 温度 电流 电压 磁场等物理量 光纤传感器的分类光纤传感器的分类 根据光纤在传感器中的作用可分为功能型 非功能型和拾光型三大类 根据光受被测对象的调制形式可分为强度调制型 相位调制型 偏振调制 型 频率调制型四大类 根据光是否发生干涉可分为干涉型和非干涉型 根据是否能够随距离的增加连续地监测被测量可分为分布式和点式 7 2 2 分布式光纤传感技术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 1 可在很大的空间范围内连续的进行传感 是其突出优点 2 传感和传光为同一根光纤 传感部分结构简单 使用方便 3 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 分布式光纤传感器的特征参量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 2 3 典型的分布式光纤传感器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 相位调制型光纤传感器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 L L 2 2 是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 8 再解调获得相位变化 光的干涉光的干涉 光的干涉条件 图 1 相干光源 S 1 S 2 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 图 1 图 2 相干条件 频率相同 振动方向相同 相位差恒定 2 3 12 3 1 M ZM Z 干涉型光纤传感器用作分布式振动传感干涉型光纤传感器用作分布式振动传感 如图 2 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 M ZM Z 干涉型光纤传感器的信号处理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分析 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 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 2 3 22 3 2 光纤光纤 SAGNACSAGNAC 干涉型分布式传感器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 10 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 光纤光纤 SAGNACSAGNAC 干涉型分布式传感器定位原理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 零点频率发生在 0 N 干扰源位臵 R1 与第 N 个零频之间的关系为 2 3 32 3 3 OTDR OTDR 背向瑞利散射光纤传感器背向瑞利散射光纤传感器 散射型光纤传感器分为以下几类 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 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 11 光时域反射光时域反射 OTDR OTDR 技术技术 光时域反射 OTDR Opitcal Time Domain Reflectometry 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 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 d c 2n 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 图 1 图 2 2 3 42 3 4 BOTDR BOTDR 光时域布里渊散射光纤传感器光时域布里渊散射光纤传感器 布里渊散射产生机理布里渊散射产生机理 这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 如图 2 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 12 11 1GHZ 分为自发布里渊散射和受激布里渊散射两种 BOTDR BOTDR 传感原理传感原理 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 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 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 BOTDR BOTDR 布里渊频移系数布里渊频移系数 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 BOTDRBOTDR 与与 BOTDABOTDA 区别区别 13 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 BOTDRBOTDR 定位原理定位原理 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臵处的布里渊频谱图 并获得异常 的布里渊频移量和散射光功率 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 3 空间分辨率 4 长传感范围 超过 80 公里 5 一根光纤既可用于传感 也可用于通信 缺点 1 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 2 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 3 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 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 取样时间 20s 至 5min 典型值 2 min 2 3 52 3 5 ROTDR ROTDR 光时域拉曼散射光纤传感器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 14 量子力学描述 分子吸收频率为 的光子 发射 的光子 同时分子 从低能态跃迁到高能态 对应斯托克斯光 分子吸收频率为的光子 发射 的光子 同时分子从高能态跃迁到低能态 反斯托克斯光 ROTDR ROTDR 传感原理传感原理 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 基于自发拉曼散射的分布式光纤温度传感器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 几种散射式传感技术的比较几种散射式传感技术的比较 15 各种分布式光纤传感技术的应用各种分布式光纤传感技术的应用 第三我们主要讲解一下拉曼散射光纤系统 第第 3 章章 分布式光纤温度传感系统及技术分布式光纤温度传感系统及技术 分布式光纤温度传感器系统 能在整个连续的光纤上 以距离的连续函数 形式 测量出光纤上各点的温度值 由于实际应用场合不同 要求的技术指标 也不一样 如有些需要长距离的传感长度 如输油管线的泄漏检测 有些需要 测温精度高 如水库大坝的渗漏检测 有些需要空间分辨率要高 如在电力系 统的温度检测 所以 系统设计要充分考虑应用要求 选择合适的器件和工作 参数 3 1 系统组成系统组成 分布式光纤温度传感系统由传感光纤 主机 温度信号处理和显示软件等 组成 如图 3 1 所示 其中主机主要由以下几个部分组成 16 I 激光脉冲光源 由带尾纤的 InGaAsP 高脉冲半导体激光器和驱动电路 组成 2 散射光分离器件 由双向耦合器和波分复用器系统组成 3 光电探测器 由带尾纤 带前置放大器的雪崩光电二极管 APD 和主 放大器组成 4 恒温装置 用来解决温度传感器的定标 提供参考温度 5 A D 采集与信号处理单元 对放大信号采集 A D 转换 对信号进行 调理 累加平均 去噪等处理 6 软件系统 完成系统的各种参数设置 图形显示 报警 数据存储功 能 7 光纤铺设位置 将探测光缆沿着管道 铺设在管道下面 1Ocm 深的土 壤中 然后连接到控制室中的主机 就能够探测沿着整个管线的温度 进而探 测管道的泄漏 并能精确的定位 当某个位置温度升高时 确定其发生泄漏 对于新管道 在管道铺设过程中将光缆铺在管道中轴线的下方 如图 3 2 a 所示 对于已经铺好的管道 在管道的一边铺设探测光缆 其高度与管道 底平齐 如图 3 2 b 所示 17 3 2 激光脉冲光源激光脉冲光源 由十拉曼散射信号非常微弱 而且随传感光纤长度的增加 信号损耗会加 大 为保证测量空间分辨率等技术指标 光源部分要产生脉宽很窄的大功率光 脉冲输入到传感光纤中 在光纤传感应用中 选择激光器时主要考虑以下因素 价格 物理尺寸 激 光的工程温度和激光材料的寿命等 半导体激光器由于体积小 价格低 高效 率而获得广泛应用 激光脉冲宽度分析激光脉冲宽度分析 根据 OTDR 的空间分辨率公式 泵浦光持续时间 激光脉冲宽度 决定了空间 分辨率指标 其他如光电探测器响应时间和 A D 转换时间也影响空间分辨率 所以 要缩小空间分辨率 就要使发射的激光脉冲要窄 如在普通多模光纤中 要达到 lm 的空间分辨率 则脉冲宽度应满足 但为 8 2 0 10 m s t10ns 获得长的测量距离 就要发射大的激光功率 所以 要根据系统测量长度和空 间分辨率指标要求来确定激光发射的脉冲宽度和功率大小 激光器波长分析激光器波长分析 光在光纤中的传输存在损耗 光纤拉曼散射信号随着注入光波长的增加而 变弱 由于背向拉曼散射信号的信噪比和散射点的位置有关 散射点离光源越 远信噪比越小 在光纤各处被测量并返回到开始端的反斯托克斯信号光功率可 以表示为 18 4 L as0as PL p10 式中 L 是测量点的距离 一般取 L 为最大传感距离时确定激光器波长 为从传感光纤 L 返回到光纤始端 光检测器处 的反斯托克斯光功率 as PL 为光源始端激光光源所发出的光功率 为与光纤祸合 散射等相关的衰减 系数 是反斯托克斯散射光波长 可看到 入射光波长越短 自发拉曼散射信号强度越大 但相应传感光纤 的损耗也越大 损耗与传输距离成正比 因此 测量点最佳波长与系统选用的 传感光纤的损耗分布密切相关 由于在光纤末端损耗最大 选择最佳工作波长 的准则是 使传感光纤尾端返回的反斯托克斯信号最强 所以 在工程设计中 一般取 L 为最大传感距离时确定激光器波长 3 3 光电探测器光电探测器 把光信号转变为电信号这一过程由光电探测器和相应的放大电路来完成 由于反斯托克斯和斯托克斯光非常微弱 所以光电探测器的性能对分布式光纤 传感系统的工作具有重要影响 雪崩光电二极管 APD 是在高反向雪崩偏压附近工作的具有内部倍增放大作 用的光电转换器件 由于雪崩光电二极管的内部雪崩增益使得其光电转换灵敏 度比一般的光电二极管高很多 在 0 4 m 1 1 m 光谱范围内的微弱信号检测 中 APD 是优选器件 虽然 APD 具有较大的增益 但其输出仍然非常微弱 需要进一步对信号进 行放大 分布式光纤温度传感器系统要求所用放大器为宽频带放大器 而放大 器不但不能提高信号的信噪比 在放大信号过程中还会引入噪声 与 APD 连接的第一级放大器称为前置放大器 它一般采用低噪声放大器 低噪声放大器比一般放大器有低得多的噪声系数 在系统中 这一级放大器噪 声性能的优劣通常会影响到整个系统的品质 所以 虽然不同系统对放大器的 质量指标要求会各不相同 但是对前置放大器进行周密的低噪声设计是必须优 先考虑的 此外 还需考虑放大器的增益 频率的特性 动态范围 信号源阻 抗等要求 19 3 4 散射光的分离散射光的分离 光纤的背向散射光中包含瑞利背向散射光 反斯托克斯和斯托克斯背向散 射光及其他散射光 光滤波的作用就是抑制无关的散射光 取出携带温度信息 的反斯托克斯散射光以及作为参考光的斯托克斯散射光 常温下 光纤中背向 散射光非常微弱 使信号的提取非常困难 考虑到拉曼散射的特点和参考各种 分波合波技术的优缺点 这里使用了 3 级级联的 3 个波长的窄带通构成 1X3 的 WDM 型拉曼散射用波分复用器用十背向散射光的分离 波分复用器结构如图 3 4 所示 入射光由端口 1 入射 经过端口 2 输出 2 端口与传感光纤相连 由于光的光路可逆性 由传感光纤产生的背向散射光 再经过端口 2 由滤光片滤出的斯托克斯和反斯托克斯光分别经过端口 3 4 输 出 单级介质膜滤波器的结构如图 3 5 所示 多波长光复用 解复用器件采用级 联型结构 如图 3 6 所示 20 对解复用器而言 包含共N 个波长的信号光由双 芯毛细管的端口 a 输入 光束被准直以后 由于滤光片的选频作用 滤光片后 的由自聚焦透镜与单芯毛细管耦合输出 而其它波长的信号 则经滤光片反射后 滤光片前的由自聚焦透镜与双芯 毛细管耦合 端口 c 输出 对复用器件而言 图中的光路方向则相反 3 5 系统定标系统定标 光纤测温的机理是依据背向拉曼散射温度效应 在分布式光纤测温系统中 使用反斯托克斯和斯托克斯光强之比对温度进行解调 根据式 2 29 需要知 道传感光纤中某一段长度范围的准确的温度信息 将系统测得的反斯托克斯和 斯托克斯光强度与该段的比值作比较 从而得出被测区域的温度信息 通过在 光纤上设置定标区 可以消除反斯托克斯和斯托克斯信号处理通道的散射系数 响应度和光滤波因子等灵敏度不同对温度测量带来的误差 解决温度传感测量 的温度基准问题 实现高精度 高稳定度的分布式温度测量 定标区位置选择定标区位置选择 泵浦光脉冲在光纤中产生背向散射光信号如图 3 7 所示 曲线分三个部分 前 端反射区 温度测量区和尾端反射区 前端反射区和后端反射区的拉曼散射信 号不反映光纤沿线的温度分布 温度测量区的信号较为稳定 而且反映光纤沿 线的温度变化信息 所以定标区应该设在这个区域的首端 温度标定温度标定 基于拉曼散射的分布式光纤温度传感系统需要首先确定传感光纤中某一段 长度范围的准确的温度信息 将系统测得的反斯托克斯与斯托克斯光强度比与 21 该段的比值作比较 从而得出被测区域的温度信息 温度定标区域位置在图 3 7 已标出 系统温度分辨率与标定温度的精确度有关 可得到式 T 式中 为系统的定标精度 T 为系统的测温精度 具有以下关系 1 定标精度一定时 测量温度越高 测温精度越低 2 定标温度一定时 定标精度越高 测温精度越高 3 测温精度一定时 定标温度越高 要求的定标精度越低 按照国际上通用的分布式温度传感器定标方法 定标区一般设在 200m 处 这一点的空间位置是测量的起始点 所以计算时其测量长度 L O 把前 200m 的 光纤放在恒温槽中 保持为设定的温度 第第 4 章章 系统的信号处理技术系统的信号处理技术 来自光纤反射回来的背向散射信号极其微弱 经过光电探测器转化为电信 号后 微弱的信号完全淹没在噪声中 必须采用特殊的处理方法 将噪声降低 相对提高信号的信噪比 为正确提取温度信号提供必要的信号质量保证 取样积分取样积分 22 取样积分是提高信噪比的一种有效方法 这种方法要求信号一定要具有周 期性 对于分布式光纤温度测量技术 接收的信号是光脉冲的回波 是以光脉 冲进入光