分布式傳感器

FBG型分布式傳感系統(tǒng)拉曼（Raman）型分布式傳感系統(tǒng)布里淵（Brillouin）型分布式傳感系統(tǒng)分布式光纖傳感系統(tǒng)OTDR技術(shù)用于分布檢測(cè)光纖傳感技術(shù)在分布測(cè)量中的應(yīng)用

（時(shí)域變換技術(shù)）光纖S1T1S2T2S3T3SnTn只需在光纖一端測(cè)量，應(yīng)用方便

假設(shè)入射光脈沖寬度為T(mén)、功率為P(0)，這束光脈沖以群速度Vg在光纖中傳播，假設(shè)耦合進(jìn)光纖中的光功率為

P0,考慮沿光纖軸線上任一點(diǎn)

Z,設(shè)該點(diǎn)距入射端的距離為

z,那么該點(diǎn)的光功率為：])(exp[)0()(dxxPzPf-=a式中，是光纖前向衰減系數(shù)。若光在

Z點(diǎn)被散射,那么該點(diǎn)的背向散射光返回到達(dá)入射端時(shí)的光功率為：)(xfa式中，S(z)是光纖在

Z點(diǎn)的背向散射系數(shù)

,S(z)具有方向性;

是光纖背向衰減系數(shù)。)(xba（3）（4）將

(3)式代入

(4)可得：（5）

考慮光纖中有

2點(diǎn)

Z1和

Z2,其距入射端的距離分別為

z1和

z2(z2>z1),這

2點(diǎn)的背向散射光到達(dá)輸入端時(shí)為

PS(z1)和

PS(z2),則由

(5)式得：

（6）對(duì)上式兩邊取對(duì)數(shù)得：

（7）一般認(rèn)為光纖的損耗和光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)沿軸向近似均勻

,即認(rèn)為前向衰減系數(shù)和背向衰減系數(shù)不隨長(zhǎng)度z而變,有,并認(rèn)為背向散射系數(shù)也不隨長(zhǎng)度而變

[即

S(z1)≈(S(z2)],則

Z1

和

Z2

兩點(diǎn)間平均損耗系數(shù)為：（8）式中的PS(z1)和

PS(z2)的值可以從OTDR顯示屏上的連續(xù)背向散射軌跡的幅度得到,進(jìn)而可求出平均損耗系數(shù)α。與距離有關(guān)的信息是通過(guò)時(shí)間信息而得到的，OTDR測(cè)量發(fā)出脈沖與接收后向散射光的時(shí)間差,利用折射率ｎg值將這一時(shí)域信息轉(zhuǎn)換成距離：)](zfa)(zb[a+a≈1/2（9）其中ｃ為光在真空中的速度

(3×108ｍ/ｓ)

光源光探測(cè)器信號(hào)處理光放大器Y分支器被測(cè)光纖

示波器將被測(cè)光纖接入測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量雙向背向散射損耗得到光纖長(zhǎng)度Z測(cè)量過(guò)程美國(guó)貝爾通訊研究中心定義了兩種死區(qū)：（1）衰減死區(qū)從反射點(diǎn)開(kāi)始到接收機(jī)恢復(fù)到后向散射電平約0.5dB的范圍內(nèi)的這段距離。也就是OTDR能再次測(cè)試損耗和衰減的點(diǎn)。（2）事件死區(qū)從OTDR接收到的反射點(diǎn)開(kāi)始，到OTDR恢復(fù)到最高反射點(diǎn)1.5dB以下這段距離。在這以后才能發(fā)現(xiàn)是否還有地二個(gè)反射點(diǎn)，但還不能測(cè)試損耗和衰減。AdBL(km)反射接點(diǎn)終端菲涅爾反射端面反射與背向散射影響無(wú)反射損耗點(diǎn)或故障點(diǎn)熔接點(diǎn)無(wú)反射增益點(diǎn)噪聲OTDR測(cè)量結(jié)果的意義OTDR測(cè)量結(jié)果的意義1.5dB0.5dB事件死區(qū)衰減死區(qū)死區(qū)的大小與脈沖寬度、反射系數(shù)、損耗等因素有關(guān)。脈寬越短

,盲區(qū)越小

,但短脈沖同時(shí)又減小了動(dòng)態(tài)范圍

,因此要在盲區(qū)和動(dòng)態(tài)范圍之間折衷選擇脈寬。1、死區(qū)2、反射事件與非反射事件：如圖1所示

3、動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍是OTDR主要性能指標(biāo)之一，它決定光纖的最大可測(cè)量長(zhǎng)度。OTDR的動(dòng)態(tài)范圍定義為：始端后向散射電平與噪聲之間的dB差。

CompanyLogo應(yīng)用光纖斷點(diǎn)、光纖接頭松動(dòng)點(diǎn)的查找測(cè)量光纖長(zhǎng)度測(cè)量光纖總損耗、平均損耗測(cè)量連接器的平均損耗1234測(cè)量連接器的回波損耗5

拉曼、布里淵散射（非彈性散射）斯托克斯—拉曼散射l

大反斯托克斯—拉曼散射l

小布里淵散射:晶體中的聲波參與了能量交換.斯托克斯-拉曼散射

RS布里淵散射

BS彈性散射布里淵散射

BS反斯托克斯-

拉曼散射

RS彈性散射(d)RSRSBSBS(a)(b)(c)非彈性散射SiO2

1.32*1012Hz10～20GHz線寬(約50MHz)。

光纖中的背向散射光ROTDR時(shí)域背向拉曼散射分布式光纖傳感器當(dāng)光纖局域位置(L=Lo處)的溫度變化時(shí)，調(diào)制了光纖拉曼散射光子通量，也就是光纖拉曼背向散射的溫度調(diào)制機(jī)理。反斯托克斯拉曼散射對(duì)溫度的敏感系數(shù)比斯托克斯拉曼散射要大得多。因此通常都將反斯托克斯拉曼散射用作信號(hào)通道，作為計(jì)算溫度的主要依據(jù)。30km的FGC-30拉曼測(cè)溫系統(tǒng)，其空間分辨率為3m、溫度分辨率為0.1℃、測(cè)溫范圍為0～+100℃測(cè)溫原理Is斯托克斯光光強(qiáng)反斯托克斯光光強(qiáng)溫度變化斯托克斯光：波長(zhǎng)大于入射光反斯托克斯光：波長(zhǎng)小于入射光測(cè)溫原理：Ias/Is＝ae-kcv/kTIasIs不變Ias變化同步控制光源恒溫耦合器耦合器濾波器濾波器探測(cè)器數(shù)據(jù)采集與處理后臺(tái)控制StokesAnti-Stokes傳感光纖測(cè)溫區(qū)域拉曼散射強(qiáng)度比瑞利散射強(qiáng)度低20~30dBm，要求脈沖峰值功率很高；拉曼散射只受到環(huán)境溫度的影響，而對(duì)應(yīng)力變化不敏感；相對(duì)基于喇曼散射的傳感系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，基于布里淵散射的傳感系統(tǒng)：1）它能同時(shí)對(duì)溫度和應(yīng)力進(jìn)行探測(cè)；2）探測(cè)作用距離遠(yuǎn)，能達(dá)到100公里，空間分辨率達(dá)到5米；3）成本費(fèi)用低。散射產(chǎn)生的物理原因溫度和光纖應(yīng)變都會(huì)造成布里淵頻率的線性移動(dòng),所以可表示為

fB=fB0+fTT(℃)+fεε(με)

布里淵功率隨溫度的上升而線性增加,隨應(yīng)變?cè)黾佣€性下降.布里淵功率為

PB=PB0+PTT(℃)+Pεε(με)BOTDR光時(shí)域背向布里淵散射

分布式光纖傳感器通過(guò)測(cè)量布里淵頻移和布里淵散射的光功率，就可以求得被測(cè)量點(diǎn)的溫度和應(yīng)力的大小。

對(duì)于溫度的布里淵頻移系數(shù)是1.22M/度（1310）、1M/度（1550），而對(duì)于應(yīng)力是581M/%（1310）、493M/%（1550）。溫度的影響較小。光源耦合器差分探測(cè)數(shù)據(jù)采集與處理傳感光纖測(cè)溫區(qū)域BOTDR技術(shù)用于分布檢測(cè)BOTDR光纖S1T1S2T2S3T3SnTn只需在光纖一端測(cè)量，應(yīng)用方便

缺點(diǎn)測(cè)應(yīng)力581M/%（1310）、493M/%（1550）功率小，難檢測(cè)應(yīng)力：物體由于外因(受力、溫度場(chǎng)變化等)而變形時(shí)，在物體內(nèi)各部分之間產(chǎn)生相互作用的內(nèi)力，以抵抗這種外因的作用，并力圖使物體從變形后的位置回復(fù)到變形前的位置。應(yīng)變：用以描述一點(diǎn)處變形的程度的力學(xué)量是該點(diǎn)的應(yīng)變。光源耦合器差分探測(cè)數(shù)據(jù)采集與處理傳感光纖測(cè)溫區(qū)域探測(cè)光源BOTDA檢測(cè)30km光纖沿線的應(yīng)變，·空間分辨力可達(dá)1m?！?yīng)變精度:20μe(0.002%)

·溫度精度:1°C·取樣時(shí)間:20s至5min(2min典型值)應(yīng)用場(chǎng)合優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)OTDR斷點(diǎn)、損傷檢測(cè)連續(xù)顯示衰減情況有盲區(qū)BOTDR應(yīng)力、溫度測(cè)量精度和分辨率高要求極窄線寬、可調(diào)線寬激光器；交叉干擾；功率低BOTDA應(yīng)力、溫度測(cè)量精度和分辨率高，大動(dòng)態(tài)范圍系統(tǒng)復(fù)雜；兩端測(cè)量；不能檢測(cè)斷點(diǎn)；交叉干擾ROTDR溫度較高測(cè)溫精度返回的信號(hào)弱，大功率光源拉曼時(shí)域法拉曼頻域法布里淵時(shí)域法布里淵頻域法三種分布式光纖溫度傳感器參數(shù)比較傳感類型工作帶寬測(cè)量時(shí)間高速采樣信號(hào)處理光源空間分辨率溫度分辨率傳感距離寬短需要簡(jiǎn)單幾百nW1130窄長(zhǎng)不需要復(fù)雜幾百nW1110寬短需要簡(jiǎn)單幾十nW1111窄長(zhǎng)不需要復(fù)雜幾十nW1111①需要激光器的輸出穩(wěn)定、線寬窄，對(duì)光源和控制系統(tǒng)的要求很高；②由于布里淵頻移對(duì)溫度的變化也較敏感，因此，還需要考慮如何將拉伸應(yīng)變引起的頻移與溫度引起的頻移區(qū)分開(kāi)來(lái)．

BOTDR的缺點(diǎn)

光纖相位傳感器要求有相應(yīng)的干涉儀來(lái)完成相位檢測(cè)過(guò)程。對(duì)于一個(gè)相位調(diào)制干涉型光纖傳感器，敏感光纖和干涉儀缺一不可。敏感光纖完成相位調(diào)制任務(wù)，干涉儀完成相位—光強(qiáng)的轉(zhuǎn)換任務(wù)。光纖相位傳感器干涉型光纖傳感器相位調(diào)制當(dāng)光纖受到縱向(軸向)的機(jī)械應(yīng)力作用時(shí)，光纖的長(zhǎng)度、芯徑、纖芯折射率都將發(fā)生變化，這些變化將導(dǎo)致光波的相位變化.光的干涉光的干涉條件：

相干光源S1、S2發(fā)出的光波在空間P點(diǎn)相遇，兩列波在P點(diǎn)的干涉本質(zhì)上是兩個(gè)同方向、同頻率的電磁簡(jiǎn)諧振動(dòng)的疊加。相干條件：①頻率相同②振動(dòng)方向相同③相位差恒定根據(jù)疊加原理，P點(diǎn)的合振動(dòng)為P點(diǎn)的合振動(dòng)也是一個(gè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)，其振動(dòng)頻率和振動(dòng)方向都與兩單色光波相同，振幅和初相位分別由上式?jīng)Q定。原始信號(hào)與不同幅度調(diào)制信號(hào)比較401.主動(dòng)式同步解調(diào)（activehomodyne）2.被動(dòng)式同步解調(diào)（passivehomodyne）3×3對(duì)