【《Ф-OTDR分布式光纤振动传感原理探析》5400字】

Ф-OTDR分布式光纤振动传感原理分析分布式传感系统具有传感监测范围广、探测灵敏度高、响应速度快、结构简单等优点，在结构健康监测、周界安防等领域有着广泛的应用前景。而Ф-OTDR是实现分布式传感系统的最基本的结构，本章着重分析基于瑞利散射的Ф-OTDR工作原理。从光纤中的瑞利散射的理论出发，研宄其相关物理机制，并阐述Ф-OTDR技术的传感原理及声场重构原理。在Ф-OTDR光纤振动传感系统中，基于瑞利后向散射原理，传入传感光纤中的脉冲光会产生相对应的后向瑞利散射信号光，由于外界振动对传感光纤的作用表现在改变振动位置处的光相位，并最终反映到后向瑞利散射信号的振幅中去，故通过解调后向瑞利散射信号的振幅变化可以实现振动点的定位。1.1光纤中的瑞利散射光的散射，是指由于传播介质中存在微小的粒子对光束产生影响，使光波偏离原来的传播方向而向四周散开的现象。瑞利散射.是指散射粒子尺度比波长小得多的粒子对光波的散射，其各个方向上的散射光强度是一样的，同入射光的波长的四次方成反比。该现象最早是由英国物理学家瑞利于1900年发现的。从分子理论上来说，当光波射入到介质中，会激发起介质中的电子作受迫振动，从而发出次级电磁波。对均匀介质而言，这些次波的相互叠加会使光波沿着反射和折射的方向进行传播，而在其他方向上，次波干涉完全抵消，故不会发生散射现象。对于非均匀介质，介质内存在密度变化，这时入射光波激发的次波的振幅和相位不完全相同，于是次波的干涉结果，在非透射方向上不能完全抵消，从而形成散射光。光纤中存在的散射光包括：瑞利散射光、布里渊散射光以及拉曼散射光，从物理角度分析，光的散射包括弹性散射和非弹性散射。弹性散射是线性的碰撞过程，只改变光子的传播方向，而不改变光子的能量大小；而非弹性散射则发生能量的改变。瑞利散射属于弹性散射，其频率与入射光频率相同；而拉曼散射和布里渊散射，由于会产生同入射光的频率不同的斯托克斯光和反斯托克斯光，使输入光能量部分转移到新产生的频率分量上，属于非弹性散射。光子和声学声子相互作用产生了布里渊散射，在普通单模光纤中，波长为1550nm的入射光产生的布里渊散射频移为9-11GHz；而光子与光学声子相互作用则会产生拉曼散射，拉曼散射频移约为13.2THz。图2-1散射光波长关系图在光纤的拉制过程中，由于受到热运动的影响，使原子密度分布不均匀，进而使光纤的折射率分布不均匀，进而引起光在光纤中发生瑞利散射。瑞利散射在整个光纤范围内均有分布，其中沿光纤轴向向后的散射，我们称之为后向瑞利散射。图2-2后向瑞利散射光产生原理1871年，英国物理学家瑞利对半径远小于波长的微小颗粒引起的散射现象进行研宄，并提出当光束通过透明的液体、固体以及气体时都会发生瑞利散射。瑞利散射光的频率与入射光的频率相同，且瑞利散射光的强度大小由入射光波长和散射方向决定。瑞利散射光强可表示为:I(θ)=其中，I(θ)是与入射光成θ角的散射光光强，I0则是垂直入射光的散射光光强。光纤局部密度的不均匀性会产生瑞利散射，其散射系数γ是入射光波长,n是光纤纤芯折射率系数,p是平均光弹系数βT是假想温度下的等温压缩率,K是玻尔兹曼常数,TFPP为脉冲的峰值功率,v是光在光纤中的速度,为后向散射光功率捕获因子,故由上式可知，瑞利散射信号的光功率正比于入射光波的功率，则瑞利散射光的功率能够反映光纤沿线的损耗信息。通过检测瑞利散射信号的功率等信息，就能够对外部因素进行传感监测。1.2OTDR技术OTDR是基于后向瑞利散射光信号的一种测量仪器，它以后向瑞利散射理论为基础，可以很方便地对光纤进行测量，且能显示出整个沿光纤线路的损耗变化情况。光脉冲在光纤中传播时，脉冲沿整个传感光纤路径产生的后向瑞利散射信号均被光探测器接受时，会形成一个按时序排列的连续分布的强度信号，即传感光纤中的任一位置都有一个与之对应的后向瑞利散射光强度，根据这一理论，通过监测返回的后向瑞利散射光信号的强度，就可以获得通过光强的变化反映出的沿光纤线路分布的光纤损耗情况。图2-3OTDR系统具体结构图在OTDR系统中，与距离相关的信息均是通过时间反映出来的。利用OTDR输出的脉冲光与探测器接收到的后向瑞利散射光之间的时间差，可将时域信息转化为距离信息：其中，c为真空中光速，t为脉冲光在传感光纤中来回一周所花的时间，n为光纤的折射率。通过上式，我们可以准确的判断出光纤路径中发生事件的位置。并且在利用RBS进行分布式光纤传感的技术中，OTDR技术是发展最成熟的。当光脉冲在光纤中传输时，光纤各个位置处产生的RBS由光电探测器接收，通过对光电探测器输出的电信号进行分析，可以获得光纤任意位置处的功率信息。计算光脉冲的入纤时间与RBS返回入射端的时间差，能够获得散射点的位置信息。设脉冲光注入光纤的时间与传输到光纤L处产生的RBS返回到入射端的时间差为t,则距离L可表示为：L=在光纤L处的脉冲光峰值功率为:P(Z)=式中，α是光纤的衰减系数，P0P光纤L处产生的RBS反向传输时同样会受到光纤损耗的影响，因此其传输到入射端的功率可表示为：P光纤中的瑞利散射光功率随着距离的增长呈指数衰减形式,根据上式就可以确定事件发生的位置，对光纤实现全分布式监测。1.3Ф-OTDR分布式光纤扰动传感器1.3.1Ф-OTDR的基本原理将OTDR系统用于振动检测时，其信噪比会很低，甚至可能根本检测不到振动信号。这是因为OTDR系统使用的是宽谱激光器，其后向瑞利散射信号中不同线宽的光会相互干涉，使有用的振动信息淹没于其中，而且随着激光器线宽的增加，系统的灵敏度也会越低。所以，窄线宽激光器是Ф-OTDR光纤传感系统的最基本条件，而这也是其同OTDR系统的最大区别。Ф-OTDR是一种新型的分布式光纤振动传感技术。同常规OTDR一样，均是将光脉冲从传感光纤的一端注入，通过探测器接收后向瑞利散射光，通过信号解调来获取需要的信息。不同的是，Ф-OTDR使用的是窄线宽激光器，其入光纤的脉冲光是强相干的，因此该系统输出的就是脉冲宽度范围内不同散射点产生的后向散射瑞利光相互干涉的结果，再通过测量输入脉冲光与接收到瑞利散射信号之间的时间延迟来判断振动点的位置。当传感光纤受到外界振动影响时，对应位置处光纤的折射率将会发生变化，进而引起对应位置的光相位的变化，光相位的变化最终又会反映到后向瑞利散射干涉信号的振幅中去。因此，最终的干涉结果将会直接反应出扰动点所在的位置，这样就可以判断出外界干扰的具体位置。1.3.2Ф-OTDR分布式光纤扰动传感器原理Ф-OTDR分布式光纤传感器工作原理如下图所示，系统结构主要包括：超窄线宽激光器、声光调制器、环形器、光电探测器、传感光纤、前置放大电路、数据采集卡及主机等。在实际的工程应用中，超窄线宽激光器、声光调制器、环形器、光电检测器及其它相应的电源、驱动、检测电路和通信接口通常会被集成在传感器主机中；传感光纤布置在外场的传感光缆中。超窄线宽激光器作为光源发出的激光经声光调制器调制为光脉冲，光脉冲通过环形器注入传感光纤，传感光纤中后向瑞利散射光在脉冲宽度内发生相干干涉，干涉光强经过环形器被探测器检测，经放大后通过数据采集卡进入主机进行数据处理和结果显示。图2-4Ф-OTDR基本结构图当有扰动作用在传感光纤上时，由于光弹效应，受到扰动位置的光相位产生变化，引起对应位置后向散射光的相位发生变化，脉冲宽度内散射光的干涉光强也会发生相应变化。将Ф-OTDR不同时刻的后向瑞利散射光干涉光强曲线做差，差值曲线上光干涉信号发生剧烈变化的位置，对应扰动发生的位置，计算方法如公式所示：其中，z表示扰动发生的位置，c表示真空中的光速，n表示折射率，t表示系统发出脉冲与探测器接收到后向瑞利散射信号之间的时间差。结果与OTDR系统相同。1.3.3相干衰落效应长期以来，Ф-OTDR直被用于检测光纤中的损耗、断点等事件。为了进一步提升OTDR的性能，扩展OTDR的应用范围，研究者们提出利用相干检测原理来检测OTDR中的RBS，即为COTDR。相干检测的方法可以有效提升OTDR系统的信噪比，使得传感系统可以探测微弱的散射信号，增加系统的动态范围。OTDR接收端接收到的信号可以看做是探测脉冲宽度内所有瑞利散射信号的电场总和。如果系统的光源是宽谱光源，则其对应的相干长度较短，那么探测脉冲所占据的长度可视为由若干相千长度的单元组成，且彼此间不发生干涉效应，每个单元接收到的总功率仅是单元内瑞利散射信号功率的叠加。但是，相干长度内的随机分布的所有散射点都具有固定的相对相位分布，散射点之间存在干涉效应。因此，相千长度内的所有散射光的总功率就不仅仅是功率的叠加。由于光纤中的散射点位置是随机分布的，所以各个散射点产生的瑞利散射信号的相位也是随机分布的。但是只要保证光源频率稳定以及光纤不受外界扰动，各个散射点产生的瑞利散射信号的相对相位就不会发生变化，接收端接收到的散射光的叠加会具有相对稳定，但是随机的相位关系。在光纤的某些位置，散射点产生的散射信号的相位可能大体上相同，此时这部分散射点将产生较强的RBS信号；同样的，光纤另一些位置内的散射点产生的散射信号的相位可能反向，叠加过程中发生相干相消，导致此处信号非常微弱。通常情况下，当OTDR系统光源是窄线宽激光器（NLL）时，观测到的最强和最弱的散射信号之比为100：1。利用NLL作为光源，使得瑞利散射信号存在较强的随机波动，这种现象就是相干衰落。1.3.4Ф-OTDR的定位原理相干衰落效应引起的瑞利散射曲线功率的随机波动，在OTDR和COTDR系统中被认为是一种噪声。与OTDR不同的是，Ф-OTDR利用相千衰落效应对外界振动事件进行传感，为了增强RBS间的相干衰落效应，Ф-OTDR系统的光源线宽比较窄，其线宽一般小于100kHz。激光器的输出经过调制器产生脉冲光，脉冲光通过环形器注入到待测光纤的一端，在光纤各个位置处产生RBS，瑞利散射光通过环形器的另一端注入到光电探测器上进行探测。由于脉冲光具有较强的相干度，则其产生的RBS同样具有较高的相干性，光电探测器接收到的信号是脉冲宽度内所有RBS干涉后的信号。根据上一节的分析可知，当外界环境稳定且激光器频率不变时，光纤上任意位置处产生的RBS相对相位不变，因此瑞利散射曲线的起伏波动形状不会发生变化。而当扰动事件作用在光纤某处时，该位置的光纤将发生形变，此处光纤的折射率、长度、芯径均会变化，导致此处散射点的散射率和产生的瑞利散射光的相位随之发生改变。因此，返回到光电探测器上的瑞利散射信号曲线的起伏波动也在相应位置发生变化。通过对扰动事件发生前后得到的瑞利散射曲线起伏波形的幅度解调，就可以确定扰动事件发生的位置。图2-5有振动情况下Ф-OTDR幅值曲线1.3.5Ф-OTDR的声场重构原理在上面到，外界扰动作用在光纤上时，会改变光纤相应位置的折射率、长度、芯径，进而改变瑞利散射信号的相位，使得接收到的RBS强度起伏发生改变，通过解调RBS强度的变化，就可以获知扰动事件发生的位置。但是由于光纤中散射点的位置是随机分布的，散射点产生的瑞利散射信号的相位也随机分布；此外，散射点的散射率也是随机分布的，因此各个散射点产生的瑞利散射光的强度随机分布。光电探测器接收到的RBS信号可看做是光纤上一系列随机分布的散射点产生的瑞利散射信号的干涉叠加，因此接收到的RBS强度与光纤上的扰动大小没有直接关系。仅仅根据瑞利散射曲线强度的变化，只能确定外界扰动信号的位置，无法获取扰动信号作用在光纤上的应变大小，限制了Ф-OTDR的应用范围。研究发现，当外部声场作用在光纤上时，光纤的长度、折射率以及芯径会发生改变，最终改变光纤相应位置处的相位，而通过分析扰动前后该位置的相位变化，就可以对应变进行定量测量。设声场作用在光纤上的长度为L，光波经过这段光纤产生的相位延迟可表示为：其中是光波在光纤中的传输常数，是光波在真空中的波数，是光波的角频率，n是光纤折射率，ｃ是光在真空中的传播速度。对上述公式求微分可得：根据公式可知，造成光纤相位延迟的因素包括以下三个：振动信号产生的机械应力会在光纤轴向上产生拉伸作用，引起光纤长度的变化，进而引入相位延迟：其中，是轴向应变。泊松效应会使得纤芯的芯径发生变化，使得波矢发生变化，但波矢变化量通常较小，因此这一项引入的相位变化可以忽略不计。光弹效应会改变光纤纤芯的折射率，进而引起相位变化。根据弹性力学的原理，各向同性的材料折射率变化与应变的关系可表示为：光弹系数可表示为:此式代入到上式中可得：故由光弹效应造成的相位改变为：则受到外部作用最终产生光纤相位延迟为：其中，ｎ，k，和都是光纤的常数，因此只要解调出相位的变化就可以获得声场作用在光纤上的应变大小。在基于Ф-OTDR系统的声场重构研究中，研究者们进一步简化该分析过程，仅考虑由轴向应变引入的光波相位延迟。因此通过测量扰动区域前后两段光纤之间相位差的