分布式光纖傳感技術(shù)綜述

分布式光纖傳感技術(shù)綜述

1分布式光纖傳感技術(shù)近年來(lái)，光纖傳感器技術(shù)發(fā)展迅速，引起了人們的關(guān)注。它已成為連接光源工業(yè)的另一個(gè)重要光纖應(yīng)用技術(shù)行業(yè)。其中,分布式光纖傳感是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一。分布式光纖傳感測(cè)量是利用光纖的一維空間連續(xù)特性進(jìn)行測(cè)量的技術(shù)。光纖既作傳感元件,又作傳輸元件,可以在整個(gè)光纖長(zhǎng)度上對(duì)沿光纖分布的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行連續(xù)測(cè)量,同時(shí)獲得被測(cè)量的空間分布狀態(tài)和隨時(shí)間變化的信息。已經(jīng)報(bào)道的分布式光纖傳感技術(shù)主要有:基于光纖拉曼散射或布里淵散射的光時(shí)域反射及頻域反射技術(shù)(R/B-OTDR/OFDR)、基于光纖瑞利散射的偏振光時(shí)域反射技術(shù)(P-OTDR)、長(zhǎng)距離光干涉技術(shù)以及準(zhǔn)分布式光纖布拉格光柵復(fù)用技術(shù)等。本文將從以上4個(gè)方面綜述分布式光纖傳感技術(shù)的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn),并介紹其在民用工程、航天、海洋、電力、石油化工及醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。2分布光譜傳統(tǒng)技術(shù)的原理2.1布里淵散射如圖1所示,當(dāng)光波在光纖中傳輸時(shí),會(huì)產(chǎn)生后向散射光,包括瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射。檢測(cè)由光纖沿線各點(diǎn)產(chǎn)生的后向散射,通過這些后向散射光與被測(cè)量(如溫度、應(yīng)力、振動(dòng)等)的關(guān)系,可以實(shí)現(xiàn)分布式光纖傳感。2.1.1反斯托克斯背向拉伸散射光試驗(yàn)測(cè)量光纖中的反斯托克斯喇曼反射信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)分布式溫度傳感。從20世紀(jì)80年代開始,國(guó)內(nèi)外對(duì)反斯托克斯拉曼散射信號(hào)的光時(shí)域測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了大量的研究。如圖2所示,利用光纖背向拉曼散射的溫度效應(yīng),光纖所處空間各點(diǎn)的溫度場(chǎng)調(diào)制了光纖中反斯托克斯背向拉曼散射光的強(qiáng)度,利用光纖的光時(shí)域反射技術(shù)(OTDR)檢測(cè)對(duì)所測(cè)溫度點(diǎn)定位。這種技術(shù)測(cè)量原理簡(jiǎn)單,造價(jià)相對(duì)低廉,目前已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)10km以上的測(cè)量距離,并得到一定程度的應(yīng)用。但是它需要高功率、短脈沖的光源和高速信號(hào)放大采集器件,其測(cè)溫精度和空間分辨率受到器件性能和造價(jià)的限制。近年來(lái)光頻域反射技術(shù)(OFDR)也得到較快發(fā)展。OFDR技術(shù),采用功率調(diào)制的連續(xù)激光做光源,因此其后向拉曼散射功率比同樣入射條件下的OTDR技術(shù)高近2000倍,信號(hào)雖然高速調(diào)制,但是頻帶窄,容易通過濾波除去噪聲,能夠大大提高傳感信號(hào)的信噪比,在空間分辨率、檢測(cè)精度和實(shí)時(shí)性方面具有更大的優(yōu)勢(shì)。2.1.2布里淵散射傳感技術(shù)用窄線寬連續(xù)激光對(duì)單模光纖進(jìn)行抽運(yùn)時(shí),布里淵散射是一種主要的非線性效應(yīng)。布里淵散射的散射性能可以用布里淵散射頻移大小來(lái)描述,其大小與介質(zhì)的聲子速率有關(guān),而該速率依賴于溫度和應(yīng)變。通過光譜分析獲得溫度或應(yīng)力信息,并采用脈沖光對(duì)參量場(chǎng)分布進(jìn)行定位,即可實(shí)現(xiàn)分布式光纖溫度和應(yīng)力傳感,如圖3所示?；谑芗げ祭餃Y散射的分布式光纖傳感技術(shù)對(duì)于溫度、應(yīng)力等單一分布參數(shù)的測(cè)量有很高的精度和空間分辨率,是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種最具潛力和突破性的技術(shù)。它一般采用抽運(yùn)-探測(cè)(Pump-Probe)結(jié)構(gòu),稱為布里淵光學(xué)時(shí)域分析(BOTDA)。目前,基于受激布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)主要包括基于脈沖激光抽運(yùn)的BOTDA、基于相關(guān)連續(xù)波的BOTDA以及基于暗脈沖激光抽運(yùn)的BOTDA。2.2otdr技術(shù)偏振光時(shí)域反射(POTDR)傳感是通過檢測(cè)光纖中偏振態(tài)變化來(lái)達(dá)到分布式光纖傳感目的的一種新型傳感技術(shù)。POTDR技術(shù)是在OTDR技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,其工作原理為:基于待測(cè)單模光纖中的后向瑞利散射光包含著偏振態(tài)沿光纖變化的附加信息。將線偏振光耦合進(jìn)光纖,光脈沖在光纖中傳輸時(shí)發(fā)生瑞利散射,散射過程中光的偏振態(tài)隨外界參量對(duì)纖的作用而變化,同時(shí)光的偏振性是位置的函數(shù),因此探測(cè)后向散射光的偏振特性,即可得知光纖中偏振特性的時(shí)間分布及空間分布,從而獲得被測(cè)量的場(chǎng)分布。2.3基于光干涉技術(shù)的光束傳感器2.3.1雙干涉儀結(jié)構(gòu)將馬赫-曾德爾、薩格尼克以及邁克爾遜等長(zhǎng)程干涉儀混合使用,可對(duì)隨時(shí)間變化的擾動(dòng)進(jìn)行分布式測(cè)量(傳感和定位)。例如,薩格尼克/馬赫-曾德爾、薩格尼克/邁克耳遜、薩格尼克/薩格尼克、馬赫-曾德爾/馬赫-曾德爾以及差分環(huán)/環(huán)等雙干涉儀結(jié)構(gòu),其中包括單光源單探測(cè)器和單光源雙探測(cè)器等類型。圖4是一種代表性結(jié)構(gòu),其中LD,C1,L1,L2和PD1構(gòu)成薩格尼克干涉儀;LD,C1,L1-L4,L2-L3,C3和PD2構(gòu)成馬赫-曾德爾干涉儀,其中L1為傳感光纖。由兩路輸出相移即可計(jì)算得到干擾的大小和發(fā)生位置,實(shí)現(xiàn)分布式傳感。系統(tǒng)的定位精度可以達(dá)到5m。2.3.2有移頻器的光學(xué)回路傳感系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示,主要由調(diào)頻連續(xù)波光源、邁克爾遜反射干涉儀和信號(hào)接收部分組成,在干涉儀的參考光路中引入一個(gè)帶有移頻器的光學(xué)回路(長(zhǎng)度為l),用來(lái)擴(kuò)大測(cè)量范圍;移頻器為一個(gè)聲光調(diào)制器,工作頻率為f;一根單模光纖作為信號(hào)光路,既傳感信號(hào)又傳輸信號(hào)。由于參考光路中是一個(gè)帶有移頻器的光學(xué)回路,參考光束被加長(zhǎng)到光學(xué)回路長(zhǎng)度的整數(shù)倍Nl;并具有整數(shù)倍移頻器的工作頻率Nf,因此,來(lái)自不同回路長(zhǎng)度整數(shù)倍區(qū)域內(nèi)的被檢測(cè)信號(hào)可在相應(yīng)的整數(shù)倍移頻器工作頻率的區(qū)域內(nèi)被觀測(cè)到,實(shí)現(xiàn)分布式傳感。2.4復(fù)用技術(shù)及應(yīng)用光纖布拉格光柵(FBG)是一種性能優(yōu)異的波長(zhǎng)調(diào)制型測(cè)量敏感元件,探測(cè)能力不受光源功率波動(dòng)、光纖彎曲損耗、探測(cè)器老化等因素的影響,適合長(zhǎng)期安全監(jiān)測(cè)。鑒于FBG對(duì)溫度、應(yīng)力、壓力及振動(dòng)等外界參量的高靈敏度傳感功能,同時(shí)又具有體積小、動(dòng)態(tài)區(qū)間寬、可靠性高等突出優(yōu)點(diǎn),因而成為目前光纖傳感領(lǐng)域內(nèi)最有力的競(jìng)爭(zhēng)者,在許多工業(yè)和工程領(lǐng)域特別是惡劣環(huán)境或超大型的結(jié)構(gòu)中有廣泛的應(yīng)用,被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)“光纖靈巧結(jié)構(gòu)”的理想器件。為了將FBG更好的應(yīng)用于分布式光纖傳感中,增加可檢測(cè)區(qū)域范圍,提高檢測(cè)空間分辨率和精度,同時(shí)降低系統(tǒng)成本,如何有效提高FBG的復(fù)用能力是急待解決的技術(shù)難題。目前對(duì)光纖光柵復(fù)用技術(shù)的研究受到廣泛關(guān)注。復(fù)用的FBG主要有兩種:中心波長(zhǎng)不同的非同光柵以及中心波長(zhǎng)、帶寬、敏感特性均一致的全同光柵。2.4.1波分復(fù)用基本原理由于FBG良好的波長(zhǎng)調(diào)制特性,其使用最廣泛的復(fù)用方式就是波分復(fù)用(WDM)。采用非同光柵做傳感器,光柵單元可通過反射波長(zhǎng)分辨。由于每個(gè)光柵單元占用一定的運(yùn)行帶寬和測(cè)量帶寬,彼此間不能交疊,因此復(fù)用數(shù)目受到寬帶光源譜寬限制,一個(gè)陣列一般只能復(fù)用10個(gè)左右的光柵。多波長(zhǎng)編碼技術(shù)以同一位置的多個(gè)光柵組成的多維編碼式光纖光柵為傳感探頭,根據(jù)乘法原理,系統(tǒng)可布探測(cè)點(diǎn)按指數(shù)函數(shù)增長(zhǎng)。但這種方法需要多個(gè)寬帶光源和多組波長(zhǎng)解調(diào)器,還要在光纖同一位置制作多個(gè)不同波段的光柵,系統(tǒng)成本和技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度較高,而且復(fù)用數(shù)目的增長(zhǎng)仍然有限。波分復(fù)用原理的技術(shù)實(shí)現(xiàn)主要有波長(zhǎng)掃描法和波長(zhǎng)分離法,需要波長(zhǎng)編解碼過程,測(cè)量準(zhǔn)確度受到濾波器、波分復(fù)用器等器件的分辨率限制。時(shí)分復(fù)用(TDM)也是一種很重要的復(fù)用技術(shù),它可以大大增加可測(cè)光柵傳感器的數(shù)目,利用干涉檢測(cè)方案可實(shí)現(xiàn)較高的分辨率。復(fù)用系統(tǒng)中的單激光源提供窄脈寬的脈沖光,由于復(fù)用的光柵傳感單元之間存在很長(zhǎng)一段距離,所以FBG反射的信號(hào)會(huì)連續(xù)地間隔一段時(shí)間出現(xiàn),即FBG傳感器在時(shí)域上可分辨。檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)所選擇的時(shí)間窗口的反射信號(hào)進(jìn)行檢測(cè),系統(tǒng)的信噪比小、分辨率高。考慮到光源的強(qiáng)度和光柵及光纖傳輸?shù)乃p,TDM的復(fù)用容量一般小于10。因此一般將TDM和WDM技術(shù)結(jié)合,組成一系列連接結(jié)構(gòu)不同的光柵傳感陣列,使準(zhǔn)分布式光纖傳感復(fù)用容量大大提高。其他的復(fù)用技術(shù)包括頻分復(fù)用(FDM)、碼分多址(CDMA)。2.4.2基于波長(zhǎng)域和時(shí)域反射的準(zhǔn)分布傳感技術(shù)在分布式FBG傳感系統(tǒng)中采用全同光柵,獲取的全同光柵的反射信號(hào)相當(dāng)于復(fù)用技術(shù)中獲取一種波長(zhǎng)的傳感器反射信號(hào),使得光源的帶寬和解調(diào)器帶寬不再是限制傳感器數(shù)量的瓶頸問題。理論上全同光柵在數(shù)量上不受光源帶寬和波長(zhǎng)解調(diào)帶寬的限制,可以滿足多種場(chǎng)合下密集型準(zhǔn)分布式傳感要求。華中科技大學(xué)提出一種基于全同弱布拉格反射光柵的密集型大容量準(zhǔn)分布傳感技術(shù)。采用全同弱布拉格反射周期結(jié)構(gòu)光纖作為分布式傳感的檢測(cè)載體,這種分布式智能光纖的主體是多個(gè)全同的弱布拉格反射周期結(jié)構(gòu),沿長(zhǎng)程光纖纖芯呈準(zhǔn)連續(xù)密集分布。和傳統(tǒng)FBG相比,它的折射率調(diào)制強(qiáng)度和光柵長(zhǎng)度要小很多,它的傳輸特性是一種窄帶寬弱反射,僅對(duì)中心波長(zhǎng)附近極小的范圍有很低的反射率,例如最大反射率低于1%,3dB反射帶寬小于0.05nm。當(dāng)信號(hào)光入射光纖纖芯,到達(dá)傳感單元位置時(shí),其中較微弱的一部分光被中心波長(zhǎng)與信號(hào)光波長(zhǎng)一致的周期結(jié)構(gòu)反射,剩下的大部分光繼續(xù)向前傳輸直至到達(dá)下一個(gè)周期結(jié)構(gòu)位置。這種傳感機(jī)理融合了非線性后向散射傳感和光纖布拉格光柵傳感的特點(diǎn),一方面它屬于波長(zhǎng)調(diào)制型傳感器,另一方面可采用OTDR技術(shù)實(shí)現(xiàn)定位,我們將這種基于波長(zhǎng)域和時(shí)間域二維空間數(shù)據(jù)分析的傳感及定位檢測(cè)新方法稱為“光波長(zhǎng)時(shí)域反射”技術(shù)。這種密集型傳感機(jī)理有機(jī)融合了現(xiàn)有的光纖光柵傳感“波長(zhǎng)檢測(cè)”以及光纖非線性后向散射傳感“時(shí)域反射定位”兩種技術(shù)的優(yōu)越性,同時(shí)又消除了光纖光柵傳感容量受限以及光纖非線性后向散射傳感精度受限的缺陷,大幅度提高傳感系統(tǒng)容量以及傳感距離。3工程領(lǐng)域的應(yīng)用分布式光纖傳感技術(shù)具有極優(yōu)異的測(cè)量精度、可靠性和動(dòng)態(tài)測(cè)量特性,而且本質(zhì)安全,易于工程鋪設(shè),因此在民用工程、航空航天、電力、石油化工、醫(yī)療等領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用。3.1道路和場(chǎng)地測(cè)量以及周界安防監(jiān)控分布式光纖傳感技術(shù)廣泛應(yīng)用于民用工程結(jié)構(gòu)如橋梁等建筑的安全檢測(cè)、巖石變形測(cè)量、道路和場(chǎng)地測(cè)量以及周界安防監(jiān)控中,可為監(jiān)測(cè)交通工具的速度、載重及種類提供很重要的數(shù)據(jù)。這種傳感器的測(cè)量精度可以達(dá)到幾個(gè)微應(yīng)變級(jí),具有很好的可靠性,可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量,采用分布式埋入還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)建筑物的健康狀況監(jiān)測(cè),從而防止工程及交通事故的發(fā)生。3.2波音公司檢測(cè)措施在航空航天領(lǐng)域,飛行安全是人們十分關(guān)注的一個(gè)方面。光纖傳感器具有體積小、重量輕、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。分布式光纖傳感技術(shù)早在1988年就成功地在航空航天領(lǐng)域中用于無(wú)損檢測(cè)。將光纖傳感器埋入飛行器或者發(fā)射塔結(jié)構(gòu)中,構(gòu)成分布式智能傳感網(wǎng)絡(luò),可以對(duì)飛行器及發(fā)射塔的內(nèi)部機(jī)械性能及外部環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。波音公司在這方面進(jìn)行了許多研究。目前可以使用分布式光纖傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)機(jī)翼、羽翼、穩(wěn)定軸、支撐桿等處應(yīng)變及位移監(jiān)測(cè),并且還有電機(jī)、電路等連接部位的運(yùn)行溫度實(shí)時(shí)在線測(cè)量。3.3船舶的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)光纖傳感技術(shù)在船舶工業(yè)中也有著廣泛應(yīng)用,如船體關(guān)鍵位置的應(yīng)變監(jiān)測(cè)、損傷評(píng)估和超負(fù)荷條件下的早期報(bào)警。船舶的結(jié)構(gòu)缺陷常常影響其安全性能,基于分布式光纖傳感技術(shù)的大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)船體的健康狀態(tài),從而預(yù)防事故的發(fā)生。例如,目前美海軍和航運(yùn)公司合作的GCRMTC計(jì)劃,已成功將光纖傳感技術(shù)大規(guī)模用于船舶、潛艇損傷的實(shí)時(shí)檢測(cè)。3.4測(cè)設(shè)備已不能滿足的需求電網(wǎng)規(guī)模迅速擴(kuò)大和電壓等級(jí)的不斷提高,對(duì)電力設(shè)備的可靠性和安全運(yùn)行提出了更高要求,而高壓檢測(cè)技術(shù)卻跟不上形勢(shì)的發(fā)展,常規(guī)檢測(cè)設(shè)備已不能滿足當(dāng)前的需要。目前分布式光纖傳感器是較理想的一種檢測(cè)技術(shù),在高壓電力系統(tǒng)的安全監(jiān)控中有著重要應(yīng)用。比如可以用于電纜溫度和電纜導(dǎo)體載流量的監(jiān)控,利用分布式光纖傳感可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)長(zhǎng)距離輸電線路表面的溫度,計(jì)算導(dǎo)體溫度許用負(fù)載和載流量,進(jìn)而為輸電線路的故障監(jiān)測(cè)和負(fù)荷管理提供全面而有效的解決方案,保障輸電線路的安全,可以提高資產(chǎn)利用率,發(fā)現(xiàn)潛在故障,實(shí)現(xiàn)預(yù)防性維護(hù)。3.5分布式光纖傳感檢測(cè)管道泄漏泄漏是輸油管道運(yùn)行的主要故障,往往也會(huì)由此造成巨大損失。因而,輸油管道泄漏檢測(cè)是石油行業(yè)亟待解決的重要問題。利用鋪設(shè)在管道附件的傳感器,拾取管道由于泄漏、附近機(jī)械施工和人為破壞等事件產(chǎn)生的壓力和振動(dòng)信號(hào),進(jìn)一步可以通過傳感相關(guān)技術(shù)檢測(cè)管道泄漏并進(jìn)行定位。分布式光纖傳感技術(shù)由于能夠獲得被測(cè)物理場(chǎng)沿空間和時(shí)間上的連續(xù)分布信息,非常適合用于長(zhǎng)距離管道泄漏檢測(cè)。另外,利用分布式光纖傳感技術(shù)還可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高壓管道應(yīng)變和彎曲狀況。3.6光纖內(nèi)鏡測(cè)量光纖傳感器柔軟、小巧、自由度大、絕緣、不受射頻和微波干擾、測(cè)量精度高,在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用具有明顯優(yōu)勢(shì),例如對(duì)人體血管等的探測(cè),人體外科校正和超聲波場(chǎng)測(cè)量等。光纖內(nèi)窺鏡使得檢查人體的各個(gè)部位幾乎都是可行的,且操作中不會(huì)引起病人的痛苦與不適,其中光纖血管鏡已應(yīng)用于人類的心導(dǎo)管檢查中。光纖內(nèi)窺鏡不僅用于診斷,目前也正進(jìn)入治療領(lǐng)域中,例如息肉切除手術(shù)等。微波加溫治療技術(shù)是當(dāng)前治療