全分布式光纤传感技术

1、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

2、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

3、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

4、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 会有损耗损耗，一部分光沿着与光纤传播方向成180 的方向散射散射，返回光源。利用分析光纤中后向散射 光的方法测量因散射、吸收散射、吸收等原因产生的光纤传输传输 损耗损耗和各种结构缺陷引起的结构性损耗

5、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基于拉曼散射的

6、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： 4 0 ( ) ( )exp ( ) asas ss ITvhv R T I TvkT 基于拉曼散射的分布式光纤传感技术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

7、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2030dB。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

8、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，

9、相对于瑞利散射来说要低大 约23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。 SPB fff 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（

10、受激布里渊散射），称之为布里布里渊放大效应（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

11、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 ALL RIGHTS RESERVED. THIS DOCUMENT AND ANY DATA AND INFORMATION CONTAINED THEREIN ARE CONFIDENTIAL AND THE PROPERTY OF NEUBREX CO., LTD (NEUBREX) AND COPYRIGHT. NO PART OF THIS DOCUMENT, DATA, OR INFORMATION SHALL BE DISCL

12、OSED TO OTHERS OR REPRODUCED IN ANY MANNER OR USED FOR ANY PURPOSE WHATSOEVER, EXCEPT WITH THE PRIOR WRITTEN PERMISSION FROM NEUBREX. 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 3 PPP-BOTDA的原理和特点 4 总结 1 分布式光纤传感技术 22 Source Source Pulse Detector Stimulated Brillouin ScatteringStimulated Brillouin Scattering （受激布里渊散

13、射光）（受激布里渊散射光） Sensor CW Part.2 关于PPP-BOTDA的说明 Source Pulse Detector SpontaneousSpontaneous Brillouin Scattering Brillouin Scattering （自（自发发布里渊散射光）布里渊散射光） Sensor BOTDR BOTDA 23 strain e e2 fiber e e1 e e1 n n2 布里渊频率 漂移 (n n2-n n1) 无应变无应变 应变增大应变增大 n n1 Frequency Distance 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

14、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 2 PPP-BOTDA相关的基本参数 24 测量距离测量距离（Measurement Distance） 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。 Specification of NBX-7000*注：传输损耗为0.3dB/km条件下 脉冲光宽度0.5ns1 ns2 ns5 ns10 ns 测量距离*1km2km5km10km20km Part.2

15、关于PPP-BOTDA的说明 2 PPP-BOTDA相关的基本参数 25 测量精度测量精度（Accuracy） 测量精度（或称为准确度）是指实测结果（result of a measurement）和真实 值（true value）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 Specification of NBX-7000 Part.2 关于PPP-BOTDA的说明 2 PPP-BOTDA相关的基本参数 26 重复性重复性（Repeatability） 重复性是指对恒定的实验对象（the same measurand）进行连续测量时，多次 测量结果的偏差范围。 应变重

16、复性2.4微应变 温度重复性0.1摄氏度 Specification of NBX-7000 Part.2 关于PPP-BOTDA的说明 2 PPP-BOTDA相关的基本参数 27 空间分辨率空间分辨率（Spatial Resolution） 脉冲光宽度0.5ns1 ns2 ns5 ns10 ns 空间分辨率5cm10 cm20 cm50 cm1 m 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。 Specification of NBX-7000 Part.2 关于PPP-BOTDA

17、的说明 3 PPP-BOTDA的原理和特点 28 a.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-PrePump Brillouin Time Domain Analysis 0 探测光 (CW) ACW t 0 = 0 = L 光纤光纤 泵浦光 （阶跃脉冲） AP+CP t D Dpre CP Ap(t) 2 P PP p C CA R Part.2 关于PPP-BOTDA的说明 3.1 BOT

18、DA/R技术的难点 29 tzi etzh )(BB B),( 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技术是改善这一问题的有效手段 Part.2

19、关于PPP-BOTDA的说明 3 PPP-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30 MHz （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-BOTDA 首次首次实现了实现了 高分辨率高分辨率 (10 cm) 与与 高测量精度高测量精度 (8meme) Part.2 关于PPP-B

20、OTDA的说明 ALL RIGHTS RESERVED. THIS DOCUMENT AND ANY DATA AND INFORMATION CONTAINED THEREIN ARE CONFIDENTIAL AND THE PROPERTY OF NEUBREX CO., LTD (NEUBREX) AND COPYRIGHT. NO PART OF THIS DOCUMENT, DATA, OR INFORMATION SHALL BE DISCLOSED TO OTHERS OR REPRODUCED IN ANY MANNER OR USED FOR ANY PURPOSE WHA

21、TSOEVER, EXCEPT WITH THE PRIOR WRITTEN PERMISSION FROM NEUBREX. Part.3 NBX-6050A操作说明 1 NBX-6050A系统 2 常规测量操作步骤以及硬件设置 3 应变和温度的计算及温度补偿 4 总结 1 NBX-6050A系统 32 PCI-X BUS bridge cable Part.3 NBX-6050A操作说明 控制软件： NeubreCapture NeubreScope 二次开发 2 常规测量操作步骤 33 Start Up M M Hardware Settings Check Result Calibra

22、tion Segment Settings Save Data Setup Measured Fiber Start Measurement Shutting Down New Session Monitor Measurement Part.3 NBX-6050A操作说明 2.1 设置并连接光纤 34 闭合环路 传输用光缆 传感光纤 基本的光纤设置基本的光纤设置 1.光纤回路顺序为Pump Probe（测量结果是从Pump为起点）。 2.连接光纤注意光纤接口的保护和清洁。 Part.3 NBX-6050A操作说明 打开NBX-6050A后面的电源开关，NBX-6050A进入待机状态。 启动P

23、C。 NBX-6050A会随着电脑启动而自动启动。 双击桌面启动NEUBRESCOPE软件。 仪器的准备（暖机)大约需要15分钟。 2.2 启动 35Part.3 NBX-6050A操作说明 2.3 校准 36Part.3 NBX-6050A操作说明 2.4 新建任务 37 1 New Session Name : 任务名 2 Session Description : 任务描述 3 Location Directory : 任务保存路径 4 Reference Session : 已有的硬件，GUI等设定导入 Part.3 NBX-6050A操作说明 2.5 测量方法的选择 38 or Pa

24、rt.3 NBX-6050A操作说明 2.6 仪器硬件参数设置 39Part.3 NBX-6050A操作说明 2.6 仪器硬件参数设置 40 测量距离 Distance Range 可以指定50m,100m,250m,500m,1km,2.5km,5km,10km,25km。 *设定的测量距离，要大于实际的光纤距离 Part.3 NBX-6050A操作说明 2.6 仪器硬件参数设置 41 采样间隔 Sampling Interval 可以指定1cm,5cm,10cm,20cm,50cm,100cm。 空间分辨率Spatial Resolution 脉冲光脉冲光 Sampling Interva

25、l 采样间隔 Part.3 NBX-6050A操作说明 2.6 仪器硬件参数设置 42 空间分辨率 Spatial Resolution 可以指定5cm,10cm,20cm,50cm。 空间分辨率和采样间隔对应的最 大测量距离和其存储数据大小。 Part.3 NBX-6050A操作说明 2.6 仪器硬件参数设置 43 平均化次数 Averaging Count 可以指定25223平均化次数。 通常使用 213216平均化次数。 平均化次数和测量时间以及精度的关系如下图。 平均化次数25(32) 215(32,738) 223(8,388,608) 处理方法 硬件高速处理 精度重复性 测量时间

26、软件计算 平均化次数高，结果稳定 平均化次数高，测量时间长 短短长长 劣劣优优 Part.3 NBX-6050A操作说明 2.6 仪器硬件参数设置 44 输出连续光能量 Output Probe Power 输出泵浦光能量 Output Pump Power Output Probe Power：-3dBm Output Pump Power：22dBm 根据光纤的实际情况来调节输出的强度，基本原则是保持测定光纤部 分的BGS波形的顶点在85dB左右。 Part.3 NBX-6050A操作说明 2.6 仪器硬件参数设置 45 频率范围 Frequency Range BOTDA拟合BGS 至少

27、需要50MHz的 扫描范围 例: 用PPP-BOTDA测量2,000微应变时， 光纤的初始中心频率是 10.8 GHz 2,000 微应变对应 100 MHz的频率漂移、 对应的频率扫描范围应当是10.710.9GHz 为了拟合，还需要加上50 MHz 最后的测定范围应当是10.65 10.95 GHz Part.3 NBX-6050A操作说明 50Hz 2.6 仪器硬件参数设置 46 脉冲光调节 Pulse Adjustment ON 测量前每次都进行调整 调整一次大约需要5秒，接下来的20分钟内测量，脉冲光没有问题。 OFF关闭 Part.3 NBX-6050A操作说明 2.6 仪器硬件参

28、数设置 47 自动频率调节 Auto Frequency Adjustment ON 进行自动频率校准 OFF关闭自动频率校准 Part.3 NBX-6050A操作说明 2.6 仪器硬件参数设置 48 Enable BGS Frequency Shift adjustment 校准光纤 被测光纤 进行光纤校准时，校准光纤的温度测量结果 和温度计的测量比较的偏移值用于之后的测 量，来辅正测量结果。 软件的设置选项中 Part.3 NBX-6050A操作说明 2.6 仪器硬件参数设置 49 测量模式 Measurement Mode Progressive模式下（空间分辨率设置为5cm，采样间隔为

29、1cm）扫描时间要比 是Normal模式下（空间分辨率10cm，采样间隔5cm）扫描时间要长，但是空 间分辨率提高了。 Part.3 NBX-6050A操作说明 2.6 仪器硬件参数设置 50 自动测量 Scheduler 可以设定计划任务测试。 开始时间，测量间隔时间，以及测量次 数的设定 设定保存结果的文件名和数据类型 Part.3 NBX-6050A操作说明 2.7 测量过程 51 当前硬件状态，以及已 定义光纤路径和区段的 信息 当前的SBS值 (在时间 / 空间域) SBS 的频谱曲线 测量进程的进度条 Part.5 NBX-7000操作说明 2.8 测量结果观察 52 光标线位置的

30、值 标记点的值 当前区段属性 SBS，中心频率， 温度以及应变曲线 Part.5 NBX-7000操作说明 2.9 保存文件 53 1.存储文件命名。 2.选择需要存储文件的类型。 Part.5 NBX-7000操作说明 原始文件 分析结果数据 例：中心频率，应变，温度，光损等 2.10 读取文件和对比结果 54 读取源文件 *.bgb 读取应变或温度结果 对比应变或温度结果 导出文件或图形 Part.5 NBX-7000操作说明 3 应变和温度的计算及温度补偿 55 如上图所示，通过分析BGS测量的数据可得 出沿着光纤方向的布里渊中心频率分布。 利用由Segments Setting所确定的

31、中心频率和 光纤属性，软件系统就可以计算出沿着光纤 的每个测量点的应变值和温度值。 转换到温度 转换到应变 中心频率 温度 应变 Part.5 NBX-7000操作说明 3.1 基本公式 56 nB(e) = nB(0) + C11 e e = (nB(e) - nB(0) / C11 nB(e) : 有应变时的布里渊频移 nB(0) : 没有应变时的布里渊频移 C11 : 应变系数 (dnB/de) e : 应变 应变 nB(T) = nB(T0) + C12 T T = (nB(T) - nB(T0) / C12 nB(T) :在T时的布里渊频移 nB(T0) : 在T0时的布里渊频移 C

32、12 : 温度系数 (dnB/dT) T =T0 +T 温度 Part.5 NBX-7000操作说明 3.2 同时测量应变和温度 57 温度光纤 (T-fiber) nB(e) = nB(0) + C11e + C12(T-T0) e = (nB(e) - nB(0) - C12(T-T0)/C11 nB(e): 由S-fiber测量出的布里渊频移 nB(0): 在基准温度(T0)和没有应变状态下的布里渊频移 C11: S-fiber的应变系数(dnB/d e) C12: S-fiber的温度系数(dnB/dT) T : 由T-fiber测量出的环境温度 e : 测量对象的应变(S-fiber

33、) 传感光纤 (S-fiber) 测量对象 温度传感T-fiber和应变传感S-fiber必须 适当的（平行）安装（粘贴）到测量对 象上 。 利用T-fiber测出的环境温度，与应变相 关的S-fiber的布里渊频移，能够从总值 中被分离出来。也就是说，利用单个光 纤回路，进行一次测量，就可以测得应 变和温度。 Part.5 NBX-7000操作说明 3.3 自动温度补偿 58 温度补偿的意义温度补偿的意义 能够显著的提高测量结果的 准确性 自动自动T补偿的要点补偿的要点 （NeubreScope软件）软件） 在一个较宽的测量区域 中，温度必须均匀（取 平均值） 正确的光纤参数 有效区段的输入 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 89101112131415161718 NEUBRESCOPE Strain Distribution copyright Neubrex Co., Ltd. Strain, (micro) distance, m -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 89101112131415161718 S 2S 3 NEUBRESCOPE Strain Distribution copyrigh