分布式光纖傳感器

分布式光纖傳感器

2021/6/271分布式光纖傳感器分布式傳感器可以準(zhǔn)確測量光纖沿線上任意一點(diǎn)上的應(yīng)力、溫度、振動(dòng)等信息。光纖周界安防系統(tǒng)主要基于分布式光纖振動(dòng)傳感器。將光纖固定于需要傳感的圍欄上，當(dāng)有外界入侵時(shí)，光纖中的傳感信號受到入侵信號的調(diào)制而發(fā)生變化，通過分析這個(gè)變化就得到入侵的具體位置，從而實(shí)現(xiàn)分布式入侵檢測。分布式傳感主要是后向散射類傳感，這又包括時(shí)域和頻域分析，本報(bào)告主要討論時(shí)域散射類傳感。2021/6/272光纖中的散射信號光纖中的散射信號主要包括三類：瑞利散射，由折射率起伏引起；拉曼散射，由光學(xué)聲子引起；布里淵散射，由聲學(xué)聲子引起。其散射光譜圖入下：圖1散射光譜圖2021/6/273OTDR技術(shù)散射類光纖傳感主要運(yùn)用OTDR技術(shù)實(shí)現(xiàn)，此技術(shù)通過向光纖中注入光脈沖并接收光纖內(nèi)的后向散射光實(shí)現(xiàn)傳感，外部事件會對后向散射光的幅度、相位、波長（頻率）和偏振態(tài)產(chǎn)生影響，利用入射信號與返回信號的時(shí)間差可得出事件點(diǎn)與OTDR的距離：

其中c：真空光速；n：折射率；τ：時(shí)延。2021/6/274OTDR技術(shù)的空間分辨率基于OTDR技術(shù)的傳感器均有類似的空間分辨率，其表達(dá)式如下：其中c：真空光速；n：折射率；T：脈沖寬度。圖2空間分辨率示意圖2021/6/275瑞利散射分布式傳感基于瑞利散射的傳感技術(shù)主要有以下幾類：普通OTDR；相位敏感OTDR（φ-OTDR）；相干OTDR（COTDR）；偏振OTDR（POTDR）。2021/6/276普通OTDR用于光纖測試普通的OTDR一般用來檢測光纖中的熔接點(diǎn)、連接器的損耗和位置，技術(shù)已經(jīng)十分成熟，它利用的是瑞利散射光。圖3OTDR用于光纖測試2021/6/277相位敏感OTDR（φ-OTDR）把普通OTDR的光源換成窄線寬激光器，則可用來實(shí)現(xiàn)對外界微擾的分布式定位，這便是φ-OTDR，它利用的仍舊是瑞利散射光，但由于光源相干性提高，散射光受到外界干擾后相位發(fā)生變化導(dǎo)致幅度也發(fā)生較大變化，通過檢測幅度的畸變點(diǎn)便實(shí)現(xiàn)了分布式測量。2021/6/278φ-OTDR擾動(dòng)定位φ-OTDR靈敏度高并且可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)擾動(dòng)定位，但是由于對激光器線寬要求很高(kHz)，導(dǎo)致成本很高。圖4φ-OTDR擾動(dòng)定位2021/6/279COTDR相干檢測擾動(dòng)定位通過相干檢測技術(shù)可以大幅度提高φ-OTDR的信噪比，通過相干技術(shù)實(shí)現(xiàn)φ-OTDR解調(diào)的方法叫做COTDR，其系統(tǒng)搭建圖如下所示。圖5相干檢測OTDR2021/6/2710COTDR實(shí)例英國OptaSense公司的分布式光纖聲學(xué)傳感器(DAS)。InterrogatorUnitSendaconditionedpulseoflightintothefibretocreatevirtualmicrophones.ProcessingUnitUserInterfaceTheacousticdataisreceivedbyherewhichmonitorseachmicrophonechannelinrealtimeforthepresenceofspecificacousticevents.Presentstherealtimeeventdatatotheoperatorinaclearandintuitivemannerwhereclassifiedalertsareshownonamapdisplaywithlocationcoordinates.2021/6/2711POTDR擾動(dòng)定位POTDR利用的是后向散射光的偏振信息受外界調(diào)制產(chǎn)生變化實(shí)現(xiàn)定位傳感，它有兩種基本結(jié)構(gòu)：圖6P-OTDR的兩種基本結(jié)構(gòu)2021/6/2712POTDR的數(shù)據(jù)處理（1）基于POTDR的分布式傳感有兩種數(shù)據(jù)處理方法，一種處理方法算法簡單但是只能定位第一個(gè)擾動(dòng)，另一種方法可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)定位，但是對硬件要求高，數(shù)據(jù)處理也相對復(fù)雜。方法1（數(shù)據(jù)處理簡單，單點(diǎn)定位）。連續(xù)采集多條背向散射曲線，采用差值除以信號本身來調(diào)整差值信號使得調(diào)整后的差值信號在整個(gè)傳感范圍內(nèi)均勻分布。設(shè)x(i)是第i條數(shù)據(jù)，則調(diào)整后的差值信號為[x(i+n)-x(i)]/x(i)，得到的多條差值曲線如圖7所示，n根據(jù)實(shí)際取值。圖7POTDR數(shù)據(jù)處理2021/6/2713POTDR的數(shù)據(jù)處理（2）方法2（數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，多點(diǎn)定位）。POTDR多點(diǎn)定位振動(dòng)傳感器基于所得數(shù)據(jù)的譜分析，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖。圖8

P-OTDR試驗(yàn)框圖2021/6/2714POTDR的數(shù)據(jù)處理（3）假設(shè)每0.1ms采集一次數(shù)據(jù)并儲存，那么每秒得到10k條數(shù)據(jù)，這樣可以得到在某一固定位置z1處的一條關(guān)于時(shí)間的曲線，如果此處出現(xiàn)擾動(dòng)，在z1處的數(shù)據(jù)會在某一固定常量左右變化。圖9POTDR數(shù)據(jù)譜分析2021/6/2715POTDR的數(shù)據(jù)處理（4）對于多點(diǎn)入侵信號，普通的數(shù)據(jù)相減的方法不再適用，因?yàn)榈谝粋€(gè)入侵信號之后的所有擾動(dòng)都被第一個(gè)擾動(dòng)湮沒了，如圖7所示。利用譜分析的方法，第一個(gè)擾動(dòng)之前，沒有擾動(dòng)事件的頻譜成分，第一個(gè)擾動(dòng)之后第二個(gè)擾動(dòng)之前，數(shù)據(jù)中出現(xiàn)第一個(gè)擾動(dòng)的頻譜成分，第二個(gè)擾動(dòng)之后的數(shù)據(jù)出現(xiàn)第一個(gè)和第二個(gè)事件的頻譜成分，三個(gè)擾動(dòng)事件的情況類似……這便是通過POTDR實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)入侵的基本原理。2021/6/2716拉曼散射分布式傳感器（ROTDR）以上介紹的幾種分布式傳感器雖然數(shù)據(jù)處理方法不同，但都是利用的瑞利散射光，通過檢測瑞利散射光信號受外界調(diào)制產(chǎn)生的變化實(shí)現(xiàn)分布式傳感。基于拉曼散射的分布式傳感器主要應(yīng)用于大范圍、長距離的溫度傳感。在自發(fā)拉曼散射中，可利用拉曼光中斯托克斯部分與反斯托克斯部分強(qiáng)度比與溫度的關(guān)系進(jìn)行傳感。2021/6/2717ROTDR傳感原理拉曼散射光中斯托克斯光的光強(qiáng)與溫度無光，而反斯托克斯光的光強(qiáng)會隨溫度變化。反斯托克斯光光強(qiáng)Ias和斯托克斯光光強(qiáng)Is之比與溫度的關(guān)系可表示為：

a為與溫度相關(guān)的系數(shù)。于是通過實(shí)測斯托克斯-反斯托克斯光強(qiáng)之比可計(jì)算出溫度：h:

普朗克常數(shù)c:

真空光速v0:

入射光頻率k:

波爾茲曼常數(shù)T:

絕對溫度2021/6/2718ROTDR溫度傳感器結(jié)構(gòu)實(shí)際中可用濾波器濾出拉曼光的斯托克斯部分與反斯托克斯部分，然后處理所得數(shù)據(jù)得到溫度。其基本結(jié)構(gòu)如下：圖10ROTDR溫度傳感結(jié)構(gòu)2021/6/2719布里淵散射分布式傳感器（BOTDR）布里淵散射的頻移分量由聲波產(chǎn)生的移動(dòng)光柵引起，光柵以聲速在光纖中傳播，且聲速與光纖溫度和應(yīng)力有關(guān)，兩個(gè)布里淵頻移分量均攜帶光纖局部溫度與應(yīng)力信息。散射光的布里淵頻移隨溫度和應(yīng)力的變化見圖1的散射圖譜。點(diǎn)擊進(jìn)入散射光譜圖2021/6/2720BOTDR應(yīng)變測量原理圖布里淵頻移與溫度和應(yīng)變的線性關(guān)系。圖11布里淵頻移與溫度、應(yīng)力的線性關(guān)系圖12BOTDR應(yīng)變測量原理圖2021/6/2721BOTDR結(jié)構(gòu)圖布里淵光時(shí)域反射技術(shù)利用了自發(fā)布里淵散射，與傳統(tǒng)OTDR系統(tǒng)技術(shù)類似，其結(jié)構(gòu)如圖4。布里淵信號比瑞利信號約小兩個(gè)數(shù)量級，檢測比較困難，故使用部分本地光與散射光混頻的相干接收機(jī)測量背向散射。圖13BOTDR結(jié)構(gòu)圖2021/6/2722