基于布里淵散射原理的分布式光纖傳感器

1、分布式光纖傳感器 BOTDR篇 石強2010.12.09目錄目錄一、分布式光纖傳感器一、分布式光纖傳感器二、二、BOTDRBOTDR基本理論分析基本理論分析三、三、BOTDRBOTDR系統(tǒng)設計系統(tǒng)設計四、四、BOTDRBOTDR性能分析性能分析五、布里淵分布式傳感器發(fā)展方向五、布里淵分布式傳感器發(fā)展方向一、分布式光纖傳感器 分布式光纖傳感器基本原理應用方向主要分類1.1 分布式光纖傳感器基本原理從光源發(fā)出的光經耦合器注入光纖，由光纖傳輸而通過敏感元件，光在通過敏感元件時，因敏感元件是暴露在被測對象(如溫度、壓力、磁場等)之中且對被測對象極其敏感，使光在這里受到被測對象的調制，如光的強度、偏振面

2、、頻率和相位等；然后，調制光由耦合器進入光纖，再經光纖傳輸?shù)叫畔⑻幚砥魃?，經光電檢測和信號處理而得到被測對象的信息圖1.1 光纖傳感器原理示意圖1.2 分布式光纖傳感器分類注注: “: “” ” 表示不可以測量表示不可以測量; “; “”表示無此參數(shù)表示無此參數(shù); “ ; “ * *”表示表示仿真結果仿真結果基于不同原理的分布式光纖傳感器性能對比1.3 光纖傳感器應用光纖傳感技術的應用研光纖傳感技術的應用研究主要有以下四大類究主要有以下四大類：1 1、光纖層析成像技術、光纖層析成像技術2 2、智能材料、智能材料3 3、光纖陀螺與慣導系統(tǒng)、光纖陀螺與慣導系統(tǒng)4 4、常規(guī)工業(yè)工程傳感器、常規(guī)工業(yè)工

3、程傳感器二、二、BOTDRBOTDR性能分析性能分析基本原理基本原理 布里淵散射是光在不均勻的介質中傳播時發(fā)生的一種散射現(xiàn)象，它布里淵散射是光在不均勻的介質中傳播時發(fā)生的一種散射現(xiàn)象，它的的頻率頻率和和強度強度相對于入射光均會發(fā)生變化。布里淵頻移和強度與光纖材料中相對于入射光均會發(fā)生變化。布里淵頻移和強度與光纖材料中的聲速有關，而聲速受到光纖材料的熱光特性和彈光特性的影響，所以光纖的聲速有關，而聲速受到光纖材料的熱光特性和彈光特性的影響，所以光纖中的溫度和應變的變化都會引起布里淵頻移和強度的變化。中的溫度和應變的變化都會引起布里淵頻移和強度的變化。 9 光通過光纖時光通過光纖時, ,光子和光纖

4、中自發(fā)熱運動產生的聲子產生非彈光子和光纖中自發(fā)熱運動產生的聲子產生非彈性碰撞性碰撞, ,發(fā)生自發(fā)布里淵散射發(fā)生自發(fā)布里淵散射. . 散射光的頻率相對入射光的頻率發(fā)生變化散射光的頻率相對入射光的頻率發(fā)生變化, , 變化的大小與散變化的大小與散射角和光纖的材料特性有關（折射率、楊氏模量、泊松比、密度）射角和光纖的材料特性有關（折射率、楊氏模量、泊松比、密度）. . 以上特性主要受溫度以上特性主要受溫度T T和應變和應變的影響。通過測定脈沖光的后的影響。通過測定脈沖光的后向布里淵散射光的頻移就可實現(xiàn)分布式溫度、應變測量向布里淵散射光的頻移就可實現(xiàn)分布式溫度、應變測量2.1 布里淵頻移與溫度和應變的關

5、系式中為斯托克斯光頻率，c為真空中光速，為光纖中的聲速，為散射角式中E為楊氏模量，為泊松比，為光纖纖芯密度2.1.1 布里淵頻移與溫度和應變的關系2.1.2 布里淵頻移與溫度和應變的關系由上式可知布里淵頻移與溫度呈線性關系，溫度每變化1 ，布里淵頻移變化約1.2MHz由上式可知布里淵頻移與應變呈線性關系，應變每變化10-3所引起的布里淵頻移變化 約為50MHz。當應變?yōu)?，溫度為20，泵浦光波長為1550nm時，普通單模石英光纖1.46， 5890m/s，布里淵頻移為11.2GHz。2.2布里淵強度與溫度和應變的關系P0為入射脈沖光功率，s為布里淵散射背向捕捉系數(shù)，為布里淵散射損耗系數(shù)，W為脈

6、沖寬度， 為光線中速度。為真空中光波長，n為纖芯折射率，為光纖有效面積。K為波爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，p12為光線彈光系數(shù)， 為光纖材料密度，VA為光纖中聲波縱模聲速。=9.510-11m2， p12=0.27，k=1.38 10-23J/K計算可得：布里淵強度變化的溫度系數(shù) 約為0.34%/K 計算可得：布里淵強度變化的應變系數(shù) 約為-0.982 10-4 %/ 2.2.1 布里淵強度與溫度和應變的關系142.3 溫度和應變的分布式同時測量在BOTDR系統(tǒng)中，通常是利用布里淵頻移來確定溫度或應變，一般由布里淵頻移確定應變時假設溫度保持不變，而由它測定溫度時假設應變不變。但在實際應用中，往往

7、是溫度和應變同時變化，由于布里淵頻移和強度隨它們同時變化，這就出現(xiàn)了傳感光纖布里淵散射譜參數(shù)對溫度和應變交叉敏感的問題。研究發(fā)現(xiàn)布里淵頻移隨光纖的溫度和應變近似線性變化，布里淵強度隨溫度的上升而近似線性增加，隨應變增加而近似線性下降?？刹捎萌缦卤磉_式來說明：、 PB0分別為參考溫度、應變下的布里淵頻移和強度； T和 分別為溫度和應變的變化量；Cvt、 Cv 、 CPT、 CP 分別為布里淵頻移、強度的溫度和應變系數(shù)。這些系數(shù)可以通過實驗來確定。三、三、基于LPR的微波外差檢測BOTDRBOTDR系統(tǒng)設計系統(tǒng)設計LPR的微波外差檢測BOTDR系統(tǒng)的整體設計信號采集與信號采集與處理子系統(tǒng)處理子系統(tǒng)

8、光發(fā)射子系光發(fā)射子系統(tǒng)統(tǒng)光脈沖調制光脈沖調制子系統(tǒng)子系統(tǒng)布里淵外差布里淵外差接收子系統(tǒng)接收子系統(tǒng)下變頻器子下變頻器子系統(tǒng)系統(tǒng)3.1 光發(fā)射子系統(tǒng)發(fā)射子系統(tǒng)發(fā)射子系統(tǒng)窄譜光源窄譜光源中心波長中心波長1550nm1550nm線寬線寬1MHz1MHz 光脈沖參光脈沖參數(shù)設計數(shù)設計 光脈沖寬光脈沖寬度度10ns10ns光脈沖峰光脈沖峰值功率值功率光脈沖重光脈沖重復頻率復頻率f=c/2Lf=c/2L* *n n寬譜光源寬譜光源中心波長中心波長1550nm1550nm光脈沖重光脈沖重復頻率復頻率f=c/2Lf=c/2L* *n n3.2 光脈沖調制子系統(tǒng)散射點位置：Z=ct/2n光源調制間接調制1550n

9、m電光調制器EOM聲光調制器AOM直接調制1310nm光源調制方式3.3 布里淵外差接收子系統(tǒng)3.4 下變頻器子系統(tǒng)下變頻器子系統(tǒng) 3.5 信號采集與處理子系統(tǒng)信號采集與處理子系統(tǒng)利用虛擬儀器軟件平臺LabVIEW實現(xiàn)布里淵頻譜信號采集和處理。PCI5112數(shù)據(jù)采集卡32位PCI總線結構， 2個單端同步輸入通道，主要性能指標有：采樣頻率100 MSPs、帶寬lOO MHz、8位量化精度、板存16 MHz、阻抗1 M或50 (可由軟件選擇)。極性模擬量輸入范圍為25 mV到5 V，步長為10，采集卡信號分辨率約為O.195 mV。四、四、BOTDRBOTDR性能分析性能分析1、信噪比：SNR=1

10、0 K為光電檢測器的響應度，PS為經光放大器EDFA放大后的布里淵散射信號的功率，q為電荷電量， 為接收機帶寬。2、溫度應變測量精度： T、分別表示溫度和應變測量精度，CvT、Cv分別表示布里淵頻移溫度和應變系數(shù)。3、空間分辨率z： 1）光脈沖寬度和聲子壽命 2）光探測器響應時間 3）A/D轉換時間4、測量時間在BOTDR系統(tǒng)中，為避免后向布里淵散射信號的兩次采樣相混，要求兩次采樣脈沖信號時間間隔必須大于t=1/f=2L/v，L為傳感光纖總長。對于測量布里淵頻移的方式，需要多次測量才能完成一次布里淵頻譜的掃描。設布里淵譜的譜寬為 實現(xiàn)掃頻的帶通濾波器帶寬為B，則完成一次布里淵譜的掃描需要發(fā)射

11、B個光脈沖，為達到規(guī)定的信噪比所需疊加平均次數(shù)為N，則測量時間為5、測量精度與空間分辨率的關系 減小探測脈沖的寬度可提高空間分辨率。但信號光功率會因探測光脈沖寬度變窄而相應地減小，這會增大測量誤差，不利于有用信號的探測。 當脈沖寬度小于聲子壽命(如小于10 ns)后，布里淵散射譜會隨之展寬，峰值降低。所以僅以減小探測脈沖寬度來提高系統(tǒng)空間分辨率，其改善是有限的。 由此測量精度與空間分辨率是相互制約的。五、布里淵分布式傳感器發(fā)展方向今后的研究重點將主要放在以下幾個方面: 實現(xiàn)單根光纖上多個物理參數(shù)(溫度和應變)或化學參數(shù)的同時測量; 提高信號接收和處理系統(tǒng)的檢測能力,提高系統(tǒng)的空間分辨力和測量不確定度; 提高測量系統(tǒng)的測量范圍,減少測量時間; 新的傳感機理的研究.下一步方向1、2001年CCLee等人發(fā)現(xiàn)在大有效面積光纖(LEAF)布里淵譜的多個峰中每個峰值頻率的溫度和應變系數(shù)不同，并通過同時測量主峰附近兩峰值頻率的方法，實現(xiàn)了溫度和應變的同時測量。近期南京大學董玉明等人通過實驗證明LEAF布里淵譜的峰1和峰3的峰值功率的差值隨應變線性增加，而與溫度無關；三個峰的布里淵頻移都隨溫度和應變的增加而線性增加，且峰2的布里