全光纖分布式振動傳感技術(shù)研究

1、全光纖分布式振動傳感技術(shù)研究分布式光纖傳感技術(shù)是20世紀(jì)70年代末伴隨著光纖傳感技術(shù)和光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的。分布式光纖傳感技術(shù)由于能夠獲得被測物理場沿空間和時間上的連續(xù)分布信息,因而非常適合用于長距離干線的監(jiān)測。目前,這項技術(shù)已成為光纖傳感技術(shù)中最具前途的技術(shù)之一。當(dāng)前,我國對于油氣管道、電網(wǎng)、通信網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)測主要是依據(jù)設(shè)施自身的一些生產(chǎn)參數(shù)(如壓力突降、中間站油罐液位的不正常變化和人工巡視、路人的報告等手段。這些手段技術(shù)含量低,普遍存在效率低、實時性差、反應(yīng)時間長、抗干擾能力差等缺陷。常常是監(jiān)測設(shè)施遭受破壞后才能報警,實用性受自然和人為雙重因素的制約。這種“亡羊補(bǔ)牢式”的

2、事后檢測技術(shù),只能減少而不能避免損失。對長距離通信干線的監(jiān)測,特別是受電磁干擾的影響,不可能實施依靠電的方式進(jìn)行傳感監(jiān)測。因此,光纖傳感技術(shù)將成為進(jìn)行電力、通信和油氣管道等行業(yè)的安全監(jiān)測和預(yù)防人為破壞的主要技術(shù)手段。但大多數(shù)光纖傳感系統(tǒng)基于點傳感器,這樣覆蓋大區(qū)域或長距離就需要布設(shè)大量傳感器,導(dǎo)致系統(tǒng)成本和復(fù)雜性升高,使應(yīng)用受限,甚至無法實施。相比之下,分布式光纖傳感技術(shù)由于傳感器布設(shè)數(shù)量較少,系統(tǒng)相對簡單,因此具有更好的應(yīng)用前景。但目前國際上已開發(fā)并商品化的分布式技術(shù)較少,且其中多數(shù)采用的是溫度傳感器,而能夠準(zhǔn)確定位的更是少數(shù)。同時,受限于測量低功率短光脈沖反向傳輸時間的計時要求(大多數(shù)基于

3、時域反射計,即OTDR技術(shù).多數(shù)技術(shù)只能進(jìn)行靜態(tài)或參數(shù)變化很少的監(jiān)控,系統(tǒng)應(yīng)用范圍狹窄,缺乏實用性。而對于干線安全監(jiān)測系統(tǒng)來說,必須獲得實時的、半靜態(tài)或動態(tài)的監(jiān)測信息及其發(fā)生位置,特別是OTDR技術(shù)無法檢測的瞬間事件?；谝陨峡紤],我們提出一種新型的干涉型分布式光纖傳感系統(tǒng).通過一系列信號處理過程,此系統(tǒng)可動態(tài)實時地對加諸于傳感光纖上任意大小的振動信號進(jìn)行準(zhǔn)確定位,具有廣泛的應(yīng)用前景。光纖傳感器簡介近年來,傳感器在朝著靈敏、精確、適應(yīng)性強(qiáng)、小巧和智能化的方向發(fā)展。在這一過程中,光纖傳感器這個傳感器家族的新成員倍受青睞。光纖傳感器是20世紀(jì)70年代伴隨著光導(dǎo)纖維和光纖通訊技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來

4、的。光纖以其傳輸損耗小、保密性高、傳輸帶寬大的優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)中,除此之外,光纖也可用來作為傳感器方面的設(shè)計。光纖作為感受外界信號的承受體可以感應(yīng)溫度、位移、電場、應(yīng)力等的變化。而這些變化則表現(xiàn)為光纖內(nèi)部結(jié)構(gòu)的某些微觀或者介觀結(jié)構(gòu)的變化,故在其中傳輸?shù)墓庑盘栆彩艿接绊?傳統(tǒng)的傳感器以應(yīng)變_電量為基礎(chǔ),以電信號為轉(zhuǎn)換及傳輸?shù)妮d體,用導(dǎo)線傳輸電信號,因而使用時受到環(huán)境的限制;光纖傳感器則是以光信號為變換和傳輸?shù)妮d體,利用光纖傳輸光信號,其優(yōu)點在于:1光纖是由石英玻璃制成的,是一種介質(zhì)、絕緣體,且耐高壓、耐腐蝕,能在易燃易爆的環(huán)境下可靠運用;2光纖為無源器件,對被測對象不產(chǎn)生影響:3光纖體

5、積小,重量輕,可做成任意形狀的傳感器陣列:4光纖傳感器的載體是光,其頻率數(shù)量級為1014Hz,從而使傳感器頻帶范圍很寬,動態(tài)范圍很大,且不受電磁場干擾;5具有極高的靈敏度和分辨率。所有這些,都是普通傳感器所無法比擬的。光纖能夠在人達(dá)不到的地方(如高溫區(qū),或者對人有害的地區(qū)(如核輻射區(qū),起到人的耳目的作用。而且還能超越人的生理界限,接收人的感官所感受不到的外界信息。而且在當(dāng)前數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)爆炸式增長,通信道路越來越擁擠的情況下,以光替代電作為傳輸手段也是趨勢。因此,光纖傳感技術(shù)將成為進(jìn)行電力、通信和油氣管道等行業(yè)的安全監(jiān)測和預(yù)防人為破壞的主要技術(shù)手段。美國是研究光纖傳感器起步最早、水平最高的國家,在軍

6、事和民用領(lǐng)域的應(yīng)用方面,其進(jìn)展都十分迅速。在軍事應(yīng)用方面,研究和開發(fā)主要包括:用于水下探測的光纖傳感器、用于航空監(jiān)測的光纖傳感器、光纖陀螺、用于核輻射檢測的光纖傳感器等,這些研究都分別由美國空軍、海軍、陸軍和國家宇航局(NASA的有關(guān)部門負(fù)責(zé),并得到許多大公司的資助。美國也是最早將光纖傳感器用于民用領(lǐng)域的國家,如運用光纖傳感器監(jiān)測電力系統(tǒng)的電流、電壓溫度等重要參數(shù),監(jiān)測橋梁和重要建筑物的應(yīng)力變化,檢測肉類和食品的細(xì)菌和病毒等。日本和西歐各國也高度重視光纖傳感器的研究,并投入大量經(jīng)費開展光纖傳感器的研究與開發(fā)。日本在20世紀(jì)80年代便制定了“光控系統(tǒng)應(yīng)用計劃”,該計劃旨在將光纖傳感器用于大型電廠

7、,以解決強(qiáng)電磁干擾和易燃易爆等惡劣環(huán)境中的信息測量、傳輸和生產(chǎn)過程的控制。20世紀(jì)90年代,由東芝、日本電氣等15家公司和研究機(jī)構(gòu),研究開發(fā)出12種具有一流水平的民用光纖傳感器。西歐各國的大型企業(yè)和公司也積極參與了光纖傳感器的研發(fā)和市場競爭,其中包括英國的標(biāo)準(zhǔn)電訊公司、法國的湯姆遜公司和德國的西門予公司等。我國在20世紀(jì)70年代末就開始了光纖傳感器的研究,其起步時間與國際相差不遠(yuǎn)。目前已有上百個單位在這一領(lǐng)域開展工作,主要集中在各大高校和研究院所,其中相當(dāng)數(shù)量的研究成果具有很高的實用價值,有的達(dá)到世界先進(jìn)水平。光纖傳感器一般由光源、入射光纖、出射光纖、光調(diào)制器、光探測器及解調(diào)器組成,其基本原理

8、是將光源的光經(jīng)入射光纖送入調(diào)制區(qū),光在調(diào)制區(qū)內(nèi)與外界被測參數(shù)相互作用,使光的光學(xué)性質(zhì)(如強(qiáng)度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等發(fā)生變化而成為被調(diào)制的信號光,再經(jīng)出射光纖送入光探測器、解調(diào)器而獲得被測參數(shù)。光纖傳感器按傳感原理可分為兩類。一類是傳光型(或稱非功能型傳感器,另一類是傳感型(或稱功能型傳感器。在傳光型光纖傳感器中,光纖僅作為光的傳輸媒質(zhì),對被測信號的感覺是靠其它敏感元件來完成的。這種傳感器中出射光纖和入射光纖是不連續(xù)的,兩者之間的調(diào)制器是光譜變化的敏感元件或其它性質(zhì)的敏感元件。在傳感型光纖傳感器中光纖兼有對被測信號的敏感及光信號的傳輸作用,將信號的“感”和“傳”合而為一,因此這類傳感器中光

9、纖是連續(xù)的。按信號在光纖中被調(diào)制的原理不同,光纖傳感器可分為強(qiáng)度調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏振態(tài)調(diào)制型、頻率調(diào)制型、波長調(diào)制型等。即屬于相位調(diào)制型光纖傳感器范疇。相位調(diào)制型傳感器的原理是將外界信號作用到干涉儀上。干涉儀上測量臂傳輸?shù)墓馀c參考臂的參考光互相干涉(比較,使輸出的光的相位發(fā)生變化,通過對相位的解調(diào)就可檢測出外界信號的變化。光纖中傳輸?shù)南辔皇芡饨缬绊懙撵`敏度很高,利用干涉技術(shù)能夠檢測出任意大小相位變化所對應(yīng)的物理量。利用光纖的可繞性和低損耗,能夠?qū)⒑荛L的光纖盤成直徑很小的光纖圈,以增加利用長度,獲得更高的靈敏度。從基本作用來分類,光纖傳感器可以劃分為光纖溫度傳感器、光纖位移傳感器、光纖應(yīng)變傳

10、感器等等網(wǎng),分別可以感知外界的溫度、位移與應(yīng)變的大小。如果外界物理量的變化為振動信號,則傳感器中光纖作為感應(yīng)承受體發(fā)生內(nèi)部應(yīng)變,從而使得光信號的強(qiáng)度或相位發(fā)生變化,因此起到了傳感器的作用。在本文中將這一類的光纖傳感器統(tǒng)稱為光纖振動傳感器,測量外界應(yīng)變、振動都可以歸為這一類。另一種分類方法,如果整段的光纖作為感應(yīng)外界信號的受體,則稱為分布式光纖傳感。這是一種利用光纖幾何上的一維特性進(jìn)行測量的技術(shù),將被測量作為光纖位置長度的函數(shù)。可以在整個光纖長度上對沿光纖幾何路徑分布的外部物理參量進(jìn)行連續(xù)的測量:若只有其中部分光纖(通常進(jìn)行了部分改造如引入光纖光柵作為感應(yīng)受體。則是點傳感器,要感應(yīng)整個光纖分布線

11、上的情況則需采用布點的方法。本文要討論的是分布式光纖傳感技術(shù)。在這幾十年里,國內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)和公司都投入了大量人力物力財力進(jìn)行這方面的研究,分布式光纖傳感技術(shù)得到快速發(fā)展,基于各種原理的分布式光纖傳感器被開發(fā)出來,并且逐漸從實驗研究走向?qū)嶋H應(yīng)用。目前,這項技術(shù)已被應(yīng)用于航空航天、土木工程、化工、軍事、交通等許多領(lǐng)域,已成為光纖傳感技術(shù)中最具前途的技術(shù)之一。分布式光纖傳感技術(shù)是指將傳感光纖沿場分布,并采用獨特的探測技術(shù),去感知光纖傳輸路徑上待測場(如溫度、壓力的空間分布和隨時間變化的信息。分布式光纖傳感系統(tǒng)的特點是,利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件,光纖總線不僅起傳光作用,還起傳感作用。分

12、布式光纖傳感系統(tǒng)有下列優(yōu)點:(1信息量大。分布式光纖傳感系統(tǒng)能在整個連續(xù)光纖的長度上,以距離的連續(xù)函數(shù)的形式傳感出被測參數(shù)隨光纖長度方向的變化。即光纖任一點都是“傳感器”,它的信息量可以說是海量信息。(2結(jié)構(gòu)簡單,可靠性高。由于分布式光纖傳感系統(tǒng)的光纖總線不僅起傳光作用,而且起傳感作用。因此結(jié)構(gòu)異常簡單,方便施工,潛在故障少,可維護(hù)性好,可靠性高。(3使用方便。光纖埋設(shè)后,測點可以按需要設(shè)定,可以取2m距離為一個測點,也可以取lm距離為一個測點等,按需要可以改變設(shè)定。因此,在病害定位監(jiān)測時極其方便。(4性能價格比好。目前,光纖價格不高,一條光纖的測點又可達(dá)成百上千個。因此,每一個測點的價格就遠(yuǎn)

13、遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)單測點的價格,性能價格比相當(dāng)好。分布式光纖傳感系統(tǒng)相對于電信號為基礎(chǔ)的傳感系統(tǒng)和點式光纖傳感系統(tǒng)而言。無論是從傳感技術(shù)的難度、傳感量的內(nèi)容及指標(biāo),還是從傳感的場合和范圍都提高到了一個新的階段。分布式光纖溫度及應(yīng)力傳感是分布式光纖傳感器中研究最活躍的領(lǐng)域,分布式光纖溫度傳感器在國外已實現(xiàn)商品化。并用于大型電力變壓器、高壓電力網(wǎng)、高層建筑等大的或長的設(shè)備溫度分布測量和監(jiān)控。分布式光纖傳感器在多層建筑、橋梁、水壩、飛行器、壓力容器等重大結(jié)構(gòu)與設(shè)備方面有重要的應(yīng)用前景。目前已有利用分布式光纖傳感器對靜止電纜橋、飛機(jī)多層結(jié)構(gòu)沖擊探測等方面進(jìn)行實驗的報道。根據(jù)監(jiān)測空間范圍不同,采用分布式光纖傳感

14、技術(shù)進(jìn)行測量的分布式光纖傳感器可以分為準(zhǔn)分布式光纖傳感器和全分布式光纖傳感器。準(zhǔn)分布式光纖傳感器是由多個布置在空間預(yù)知位置上的分立的光纖傳感器采用串聯(lián)或其他網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式連接起來,利用時分復(fù)用、頻分復(fù)用、波分復(fù)用等技術(shù)共用一個或多個信息傳輸通道所構(gòu)成的分布式的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它可以較精確地同時或分時得到某一或某些空間點上不同的被測量的分布信息,但它只能得到預(yù)知離散空間位置上的傳感信息,仍存在傳感“盲區(qū),且在一般情況下其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、成本較高。光纖上的任意一段既是敏感單元又是其他敏感單元的信息傳輸通道,因而可獲得被測量的沿此光纖空間和時間變化的分布信息。它消除了傳統(tǒng)傳感器存在的傳感“盲區(qū),從根本上突破了傳

15、統(tǒng)的單點測量限制。是真正意義上的分布式光纖傳感器,大大降低了造價,可以獲得較高的性能價格比,因此在監(jiān)測中被越來越廣泛使用。反射法是利用光在光纖傳輸過程中產(chǎn)生的后向散射效應(yīng)進(jìn)行測量的方法;波長掃描法是利用保偏光纖在外部擾動作用時發(fā)生模式耦合效應(yīng)進(jìn)行測量的方法;干涉法是利用干涉裝置對干涉光路中光波的相位進(jìn)行解調(diào)從而得到被測量信息的方法。光頻域反射法相對于光時域反射法研究較晚,應(yīng)用范圍也不及光時域反射法廣。波長掃描法以自然光照射保偏光纖,利用FFT算法來確定模式耦合系數(shù)的分布,該方法分辨力高,可達(dá)O.3cm,但測量范圍小,系統(tǒng)成本高,不利于實用化。干涉法也是目前研究比較廣泛的一種技術(shù)之一。在1976

16、年提出,是實現(xiàn)分布式光纖傳感的關(guān)鍵技術(shù)。OTDR最初用于評價光學(xué)通信領(lǐng)域中光纖、光纜和耦合器的性能,是用于檢驗光纖損耗特性、光纖故障的手段。其工作機(jī)理是脈沖激光器向被測光纖發(fā)射光脈沖,該光脈沖通過光纖時由于光纖存在折射率的微觀不均勻性,以及光纖微觀特性的變化。有一部分光會偏離原來的傳播向空間散射,在光纖中形成后向散射光和前向散射光。其中,后向散射光向后傳播至光纖的始端,經(jīng)定向耦合器送至光電檢測系統(tǒng)。由于每一個向后傳播的散射光對應(yīng)光纖總線上的一個測點,散射光的延時即反應(yīng)在光纖總線上的位置。由于從光纖返回的后向散射光有3種成分:（） 由光纖折射率的微小變化引起的瑞利 （） 散射，其頻率與入射光相同

17、； （）由光子與光聲子相互作用而引起的拉曼（）散 射，其頻率與入射光相差幾十： （） 由光子與光纖內(nèi)彈性聲波場低頻聲子相互作用而引起的布 里淵（）散射。 時域反射式分布光纖傳感系統(tǒng)按光的載體可分為三種形式： 基于拉曼散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)、基于瑞利散射的分布式 光纖傳感系統(tǒng)和基于布里淵散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)。 當(dāng)前，前二種形式的研究和應(yīng)用較多，后一種形式是國際上近 年來才研發(fā)出來的一項尖端技術(shù)，國內(nèi)研究才剛剛起步。 由于后一種形式可用來測量光纖沿線的應(yīng)變分布，可以預(yù)計， 不久在這方面將有所突破，并且前二種形式將發(fā)展成更多的應(yīng)用種 類，逐漸向傳感的各個領(lǐng)域滲透。 光纖網(wǎng)絡(luò)布置形式將更趨豐富多樣，更趨科學(xué)合理。 然而，系統(tǒng)