1、分布式光纤传感技器内容概要内容概要概述概述 准准分布式分布式FBGFBG传感技术传感技术分布式光纤传感技术分布式光纤传感技术散射型分布式传感器散射型分布式传感器相位调制型分布式传感器相位调制型分布式传感器偏振型分布式传感器偏振型分布式传感器微弯型分布式传感器微弯型分布式传感器荧光性分布式传感器荧光性分布式传感器光纤传感技术的发展光纤传感技术的发展分布式光纤传感技术的应用分布式光纤传感技术的应用2 2一一 分布式光纤传感器概述分布式光纤传感器概述1 定义定义 分布式光纤传感器是利用光波在光纤中的传输特性分布式光纤传感器是利用光波在光纤中的传输特性，可沿光纤长度方向连续的传感被测量（温度、压力、，
2、可沿光纤长度方向连续的传感被测量（温度、压力、应力和应变等）。光纤既是感受被测量的传感介质，又应力和应变等）。光纤既是感受被测量的传感介质，又是传输被测量的传输介质。是传输被测量的传输介质。2 优点：优点： 测量空间范围大：上千米测量空间范围大：上千米-上百千米。上百千米。 结构简单、使用方便：传感与传输使用同根光纤。结构简单、使用方便：传感与传输使用同根光纤。 性价比低：单位长度内信息获取成本大大降低。性价比低：单位长度内信息获取成本大大降低。3 33 研究重点研究重点 传感元件的选择（要求给出被测量沿空间位置的连续变化值），传感元件的选择（要求给出被测量沿空间位置的连续变化值）， 可利用光
3、纤中传输损耗、模耦合、传播的相位差以及非线性效应等给出连可利用光纤中传输损耗、模耦合、传播的相位差以及非线性效应等给出连续分布的测量结果。续分布的测量结果。解调方法的确定（要求给出被测量对应的空间位置）解调方法的确定（要求给出被测量对应的空间位置）可利用光时域反射技术、扫描干涉技术等给出被测量所对应的空间位置。可利用光时域反射技术、扫描干涉技术等给出被测量所对应的空间位置。4 分类分类4 45 分布式光纤传感器原理结构图分布式光纤传感器原理结构图 由光源、传感、信号处理和显示三部分组成。由光源、传感、信号处理和显示三部分组成。5 5光源 光探测器 信号处理 光放大器 光纤耦合器 被测光纤 示波
4、器 关键技术：关键技术： 大功率、窄脉冲输出，大功率、窄脉冲输出， 低噪声、高灵敏度光探测，低噪声、高灵敏度光探测， 高速率信号处理高速率信号处理6 分布式光纤传感器的特征参量分布式光纤传感器的特征参量 空间分辨率空间分辨率 对沿传感光纤的长度分布的被测量进行测量时所能分辨的最小空间距对沿传感光纤的长度分布的被测量进行测量时所能分辨的最小空间距离。离。影响因素：影响因素： 脉冲的持续时间，探测器的响应时间。脉冲的持续时间，探测器的响应时间。 时间分辨率时间分辨率 传感器对被测量进行测量时，达到被测量的分辨率所需的时间。表征传传感器对被测量进行测量时，达到被测量的分辨率所需的时间。表征传感器测量
5、的实时性能。感器测量的实时性能。影响因素：采样次数，计算平均的次数。影响因素：采样次数，计算平均的次数。 被测量分辨率被测量分辨率指传感器对被测量能正确测量的程度。一般用信噪比为指传感器对被测量能正确测量的程度。一般用信噪比为1 1时作为判据。如时作为判据。如温度分辨率是指信噪比为温度分辨率是指信噪比为1 1时对应的温度变化量。时对应的温度变化量。影响因素：光源功率，探测器灵敏度，探测器噪声，系统耦合损耗。影响因素：光源功率，探测器灵敏度，探测器噪声，系统耦合损耗。6 6二二 准准分布式分布式FBGFBG光纤传感技术光纤传感技术7 7光纤光栅：一种波长分选与光谱分离的设光纤光栅：一种波长分选与
6、光谱分离的设备。备。 光纤光栅分布在光纤体内，可由紫外光对光纤光纤光栅分布在光纤体内，可由紫外光对光纤侧面进行曝光，使纤芯的折射率沿轴向呈现出周侧面进行曝光，使纤芯的折射率沿轴向呈现出周期性。期性。2022-4-278 8图图1 1 FBGFBG分布式测量原理图分布式测量原理图 当光纤入射光波的波长满足布喇格衍射条件时，则该波长的光波将沿来路发生反射, 该反射光就是布喇格反射光。2022-4-271313 可以实现应力与温度的准分布式测量 也就是将具有不同栅距的布喇格光栅间隔地制作在同一根光纤上,，就可以用同一根光纤复用多个FBG 传感器，实现对待测结构定点的分布式的测量。由于该复用系统中每一
7、个FBG 传感器的位置与B 都是确定的。 分别对它们的波长移动量进行检测，就可以 准确地对各FBG 传感器所在处的扰动信息进行监测。FBG传感器的优点：三三 分布式光纤传感技术分布式光纤传感技术1 1 时域测量原理时域测量原理2 2 分布式光纤传感器具体类型分布式光纤传感器具体类型（1 1）散射型分布式传感器）散射型分布式传感器（2 2）相位调制型分布式传感器）相位调制型分布式传感器（3 3）偏振型分布式传感器）偏振型分布式传感器（4 4）微弯型分布式传感器）微弯型分布式传感器（5 5）荧光型分布式传感器）荧光型分布式传感器14141 1 时域测量原理：时域测量原理：光时域反射光时域反射 (O
8、TDR) (OTDR)技术技术光时域反射光时域反射 (OTDR(OTDR：Opitcal Time-Domain Opitcal Time-Domain Reflectometry)Reflectometry)技术最初被用于检验光纤线路的损技术最初被用于检验光纤线路的损耗特性以及故障分析。耗特性以及故障分析。当光脉冲在光纤中传输的时候当光脉冲在光纤中传输的时候，由于光纤本身的，由于光纤本身的性质、连接器、接头、弯曲或其他类似事件而产性质、连接器、接头、弯曲或其他类似事件而产生散射、反射，其中生散射、反射，其中背向瑞利散射光和菲涅尔反背向瑞利散射光和菲涅尔反射光将返回输入端射光将返回输入端（主要
9、是瑞利散射光，（主要是瑞利散射光，瑞利散瑞利散射射是光波在光纤中传输时由于光纤纤芯折射率在是光波在光纤中传输时由于光纤纤芯折射率在微观上的起伏而引起的线性散射，是光纤的固有微观上的起伏而引起的线性散射，是光纤的固有特性）。特性）。光时域反射计将通过对返回光功率与返回时间的光时域反射计将通过对返回光功率与返回时间的关系获得光纤线路沿线的损耗情况。关系获得光纤线路沿线的损耗情况。1515光时域反射光时域反射 (OTDR) (OTDR)技术技术光时域反射技术，即向光纤中注入一个脉冲，通过反射信光时域反射技术，即向光纤中注入一个脉冲，通过反射信号和入射脉冲之间的时间差来确定空间位置。号和入射脉冲之间的
10、时间差来确定空间位置。d d为事件点距离系统终端的距离，为事件点距离系统终端的距离，c c为真空光速，为真空光速，n n为光纤有效折射率为光纤有效折射率脉冲的重复频率决定了可监测的光纤长度，而脉冲的宽度脉冲的重复频率决定了可监测的光纤长度，而脉冲的宽度决定了空间定位精度（决定了空间定位精度（10ns10ns宽度对应空间分辨率宽度对应空间分辨率1m1m）。）。ncd21616利用利用OTDROTDR技术测量光纤沿线背向反射光功率的结果技术测量光纤沿线背向反射光功率的结果只需在光纤一端测量，应用方便 假设入射光脉冲宽度为T、功率为P(0)，这束光脉冲以群速度Vg在光纤中传播，假设耦合进光纤中的光功
11、率为 P0 ,考虑沿光纤轴线上任一点 Z,设该点距入射端的距离为 z ,那么该点的光功率为： )(exp)0()(dxxPzPf-az0式中， 是光纤前向衰减系数。若光在 Z点被散射,那么该点的背向散射光返回到达入射端时的光功率为：)(xfa式中，S(z)是光纤在 Z点的背向散射系数 ,S(z)具有方向性; 是光纤背向衰减系数。-zbsdxxzpzszp0)(exp)()()(a)(xba （3）（4）将 (3 )式代入 (4 )可得：-zbfsdxxxzsPzp0)()(exp)()0()(aa（5） 考虑光纤中有 2点 Z1 和 Z2 ,其距入射端的距离分别为 z1 和 z2 (z2 z1
12、 ),这 2点的背向散射光到达输入端时为 PS(z1 )和 PS(z2 ),则由 (5)式得： 21)()(exp)()()()(2121zzbfssdxxxzszszpzpaa（6）对上式两边取对数得： )()(ln)()(ln)()(212121zszszpzpdxxxsszzbf-aa（7）一般认为光纤的损耗和光纤的结构参数沿轴向近似均匀 ,即认为 前 向 衰 减 系 数 和 背 向 衰 减 系 数 不 随 长 度 z 而 变 ,有 ,并认为背向散射系数也不随长度而变 即 S(z1 ) (S(z2 ),则 Z1 和 Z2 两点间平均损耗系数为：（8）式中的PS(z1 )和 PS(z2 )
13、的值可以从OTDR显示屏上的连续背向散射轨迹的幅度得到 ,进而可求出平均损耗系数。 与距离有关的信息是通过时间信息而得到的，OTDR测量发出脉冲与接收后向散射光的时间差 ,利用折射率g值将这一时域信息转换成距离： )(zfa)(z ba+a 1/2)(ln)(ln)(212112zpzpzzss-agnctZ2（9）其中为光在真空中的速度 (3 1 0 8/) 光源 光探测器 信号处理 光放大器 Y分支器 被测光纤 示波器 美国贝尔通讯研究中心定义了两种死区：（1）衰减死区从反射点开始到接收机恢复到后向散射电平约0.5dB的范围内的这段距离。也就是OTDR能再次测试损耗和衰减的点。（2）事件死
14、区从OTDR接收到的反射点开始，到OTDR恢复到最高反射点1.5dB以下这段距离。在这以后才能发现是否还有地二个反射点，但还不能测试损耗和衰减。AdBL(km)反射接点终端菲涅尔反射端面反射与背向散射影响无反射损耗点或故障点熔接点无反射增益点噪声1.5dB0.5dB事件死区衰减死区死区的大小与脉冲宽度、反射系数、损耗等因素有关。脉宽越短 ,盲区越小 ,但短脉冲同时又减小了动态范围 ,因此要在盲区和动态范围之间折衷选择脉宽。、死区死区、反射事件与非反射事件：、反射事件与非反射事件：如图1所示 、动态范围、动态范围动态范围是OTDR主要性能指标之一，它决定光纤的最大可测量长度。OTDR的动态范围定
15、义为：始端后向散射电平与噪声之间的dB差。 光光纤断纤断点、光点、光纤纤接接头头松松动动点的点的查查找找测测量光量光纤长纤长度度测测量光量光纤总损纤总损耗、平均耗、平均损损耗耗测测量量连连接器的平均接器的平均损损耗耗测测量量连连接器的回波接器的回波损损耗耗内容概要内容概要概述概述 准准分布式分布式FBGFBG传感技术传感技术分布式光纤传感技术分布式光纤传感技术散射型分布式传感器散射型分布式传感器相位调制型分布式传感器相位调制型分布式传感器偏振型分布式传感器偏振型分布式传感器微弯型分布式传感器微弯型分布式传感器荧光型分布式传感器荧光型分布式传感器光纤传感技术的发展光纤传感技术的发展分布式光纤传感
16、技术的应用分布式光纤传感技术的应用27272 2 分布式光纤传感器具体类型分布式光纤传感器具体类型2828（1 1）散射型分布式传感器）散射型分布式传感器（2 2）相位调制型分布式传感器）相位调制型分布式传感器（3 3）偏振调制型分布式传感器）偏振调制型分布式传感器（4 4）微弯型分布式传感器）微弯型分布式传感器（5 5）荧光型分布式传感器）荧光型分布式传感器（1 1）散射型分布式传感器）散射型分布式传感器2929 瑞丽散射型分布式传感器瑞丽散射型分布式传感器 拉曼散射型分布式传感器拉曼散射型分布式传感器 布里渊散射型分布式传感器布里渊散射型分布式传感器光纤中的背向散射光光纤中的背向散射光分析
17、光纤中的背向散射光分析布里渊散射和布里渊散射和拉曼散射在散拉曼散射在散射前后有频移，射前后有频移，是非弹性散射。是非弹性散射。斯托克斯光反斯托克斯光3131 拉曼、拉曼、布里渊散射布里渊散射 （非弹性散射）（非弹性散射）斯托克斯斯托克斯 拉拉曼散射曼散射 l l 大大反斯托克斯反斯托克斯 拉拉曼散射曼散射 l l 小小布里渊散射布里渊散射: 晶晶体中的体中的声波参与声波参与了能量交换了能量交换.斯托克斯斯托克斯-拉曼散射拉曼散射 RS布里渊散射布里渊散射 BS弹性散射弹性散射l 布里渊散射布里渊散射 BS反斯托克斯反斯托克斯- 拉曼散射拉曼散射 RS2B 1B s AS 弹性散射弹性散射(d)
18、RS RS BS BS)(s )(As )(1 (a)(b)(c)非弹性散射非弹性散射SiO2 1.32*1012Hz 瑞丽散射型分布式传感器瑞丽散射型分布式传感器3333 基于瑞丽散射基本原理进行传感，用光干涉基于瑞丽散射基本原理进行传感，用光干涉技术进行空间定位。如：当光纤受力时，其瑞丽技术进行空间定位。如：当光纤受力时，其瑞丽散射光强也随之变化，根据光强变化大小即可推散射光强也随之变化，根据光强变化大小即可推断受力大小，从而制作分布式光纤应力传感器。断受力大小，从而制作分布式光纤应力传感器。具体见书具体见书P40。 拉曼散射型分布式传感器（拉曼散射型分布式传感器（ROTDRROTDR）3
19、434 拉曼散射分布式光纤传感器是基于拉曼散射拉曼散射分布式光纤传感器是基于拉曼散射的散射光参量与散射介质温度等参量之间的关的散射光参量与散射介质温度等参量之间的关系进行传感，利用光时域反射技术定位以构成系进行传感，利用光时域反射技术定位以构成拉曼散射分布式光纤传感器。拉曼散射分布式光纤传感器。拉曼散射产生机理：拉曼散射产生机理：在任何分子介质中，光通过介质时由于入射光与分子运在任何分子介质中，光通过介质时由于入射光与分子运动相互作用会引起的频率发生变化的散射，此过程为拉动相互作用会引起的频率发生变化的散射，此过程为拉曼散射。曼散射。量子力学描述：分子吸收频率为量子力学描述：分子吸收频率为V
20、V0 0的光子，发射的光子，发射V V0 0-V-Vi i的光子，同时分子从低能态跃迁到高能态（对应斯托克的光子，同时分子从低能态跃迁到高能态（对应斯托克斯光）；分子吸收频率为斯光）；分子吸收频率为V V0 0的光子，发射的光子，发射V V0 0+V+Vi i的光子，的光子，同时分子从高能态跃迁到低能态（反斯托克斯光）。同时分子从高能态跃迁到低能态（反斯托克斯光）。3535ROTDRROTDR传感原理传感原理拉曼散射由分子热运动引起，所以拉曼散射光拉曼散射由分子热运动引起，所以拉曼散射光可以携带散射点的温度信息。可以携带散射点的温度信息。反斯托克斯光的幅度强烈依赖于温度，而斯托反斯托克斯光的幅
21、度强烈依赖于温度，而斯托克斯光则不是。克斯光则不是。则通过测量斯托克斯光与反斯则通过测量斯托克斯光与反斯托克斯光的功率比，可以探测到温度的变化。托克斯光的功率比，可以探测到温度的变化。由于自发拉曼散射光一般很弱，比自发布里渊由于自发拉曼散射光一般很弱，比自发布里渊散射光还弱散射光还弱10dB10dB，所以必须采用高输入功率，所以必须采用高输入功率，且需对探测到的后向散射光信号取较长时间内且需对探测到的后向散射光信号取较长时间内的平均值。的平均值。此方法上世纪此方法上世纪8080年代就已被提出，并商用化。年代就已被提出，并商用化。3636基于自发拉曼散射的分布式光纤温度传感器原理 光纤中自发拉曼
22、散射的反斯托克斯光与温度紧密光纤中自发拉曼散射的反斯托克斯光与温度紧密相关。常温下相关。常温下(T=300K)(T=300K)其温敏系数为其温敏系数为8/8/。 采用反斯托采用反斯托克斯与斯托克斯比值的分布式光纤温度测量，其结果消除克斯与斯托克斯比值的分布式光纤温度测量，其结果消除了光源波动、光纤弯曲等因素的影响，只与沿光纤的温度了光源波动、光纤弯曲等因素的影响，只与沿光纤的温度场有关，因此可长时间保证测温精度。场有关，因此可长时间保证测温精度。3737ROTDR 背向拉曼散射分布式光纤传感器背向拉曼散射分布式光纤传感器当光纤局域位置当光纤局域位置(L=Lo处处)的温度变化时，调制了光的温度变
23、化时，调制了光纤拉曼散射光子通量，这就是光纤拉曼背向散射的纤拉曼散射光子通量，这就是光纤拉曼背向散射的温度调制机理。温度调制机理。反斯托克斯拉曼散射对温度的敏感系数比斯托克斯反斯托克斯拉曼散射对温度的敏感系数比斯托克斯拉曼散射要大得多。因此通常都将反斯托克斯拉曼拉曼散射要大得多。因此通常都将反斯托克斯拉曼散射用作信号通道，作为计算温度的主要依据。散射用作信号通道，作为计算温度的主要依据。30 km的的FGC-30拉曼测温系统，其空间分辨率为拉曼测温系统，其空间分辨率为3m、温度分辨率为温度分辨率为0.1、测温范围为、测温范围为0+100Is斯托克斯光光强反斯托克斯光光强温度变化斯托克斯光：波长
24、大于入射光反斯托克斯光：波长小于入射光测温原理：测温原理：Ias/Isae-kcv/kTIasIs不变Ias变化测温原理测温原理同步控制光源恒温耦合器耦合器滤波器滤波器探测器数据采集与处理后台控制StokesAnti-Stokes传感光纤测温区域拉曼散射强度比瑞利散射强度低拉曼散射强度比瑞利散射强度低2030dBm2030dBm，要求，要求脉冲峰值功率很高；脉冲峰值功率很高；拉曼散射只受到环境温度的影响，而对应力变化拉曼散射只受到环境温度的影响，而对应力变化不敏感；不敏感；相对基于喇曼散射的传感系统来说，相对基于喇曼散射的传感系统来说，基于布里渊散射的传感系统：基于布里渊散射的传感系统：1）它
25、能同时对温度和应力进行探测；2）探测作用距离远，能达到100公里， 空间分辨率达到5米；3）成本费用低。4242 BOTDRBOTDR光时域布里渊散射光纤传感器光时域布里渊散射光纤传感器布里渊散射产生机理布里渊散射产生机理是入射光与声波或传播的压力波相互作用的结果，这个传是入射光与声波或传播的压力波相互作用的结果，这个传播的压力波等效于一个以一定速度移动的密度光栅。因此播的压力波等效于一个以一定速度移动的密度光栅。因此布里渊散射可以看成是入射光在移动光栅上的散射。布里渊散射可以看成是入射光在移动光栅上的散射。多普勒效应使散射光频率不同于入射光。多普勒效应使散射光频率不同于入射光。BOTDRBO
26、TDR布里渊散射布里渊散射量子光学描述：入射光波（泵浦）与介质内弹性声量子光学描述：入射光波（泵浦）与介质内弹性声波场作用中，一泵浦光子湮灭产生一个声学声子和波场作用中，一泵浦光子湮灭产生一个声学声子和一个散射一个散射(Stokes)(Stokes)光子。光子。散射光与泵浦波的传播方向相反，与入射波（在散射光与泵浦波的传播方向相反，与入射波（在1.55mm1.55mm处）的频移约为：处）的频移约为：f fB B=11.1GHZ=11.1GHZ。分为自发布里渊散射和受激布里渊散射两种分为自发布里渊散射和受激布里渊散射两种4343BOTDRBOTDR传感原理传感原理布里渊散射斯托克斯光相对于入射光
27、的频移为：布里渊散射斯托克斯光相对于入射光的频移为：cnvvvsB02介质折射率介质折射率入射光频率入射光频率介质中声速介质中声速)21)(1 ()1 (kkEkvs-介质的杨氏模量介质的杨氏模量介质密度介质密度泊松比泊松比温度温度应力应力热光效应热光效应弹光效应弹光效应折射率折射率变化变化声速声速变化变化调制介质的调制介质的E E、k k、密度、密度布里渊频布里渊频移变化移变化4545BOTDRBOTDR传感原理传感原理布里渊散射光频移会随着温度和光纤应变的上升布里渊散射光频移会随着温度和光纤应变的上升而线性增加：而线性增加： fB=fB0+ f TT()+ f () 布里渊散射光功率会随温
28、度的上升而线性增加布里渊散射光功率会随温度的上升而线性增加, ,随随应变增加而线性下降：应变增加而线性下降： PB=PB0+ P TT()+ P ()通过测量布里渊通过测量布里渊散射光散射光频移频移和光功率，就可以求得被测和光功率，就可以求得被测量点的温度和应力的大小。量点的温度和应力的大小。 通过测量布里渊通过测量布里渊散射光散射光频移频移和光功率，就可以求得被测和光功率，就可以求得被测量点的温度和应力的大小。量点的温度和应力的大小。 4646BOTDRBOTDR布里渊频移系数布里渊频移系数对于温度的布里渊频移系数是对于温度的布里渊频移系数是1.22M/度（度（1310nm），），1M/度（
29、度（1550nm）对于应力的布里渊频移系数是对于应力的布里渊频移系数是581M/%（1310nm），），493M/%（1550nm）温度的影响较小温度的影响较小。4747BOTDRBOTDR与与BOTDA( BRILLOUIN OPTICAL TIME DOMAIN ANALYSIS)BOTDA( BRILLOUIN OPTICAL TIME DOMAIN ANALYSIS)BOTDRBOTDR系统从一端输入泵浦脉冲，系统从一端输入泵浦脉冲，在同一端检测返回信号的中心波长和在同一端检测返回信号的中心波长和功率。使用方便，但自发布里渊散射功率。使用方便，但自发布里渊散射信号很微弱，检测困难。信号
30、很微弱，检测困难。在在BOTDABOTDA中，处于光纤两端的可调谐中，处于光纤两端的可调谐激光器分别将一脉冲光（泵浦光）与激光器分别将一脉冲光（泵浦光）与一连续光（探测光）注入传感光纤。一连续光（探测光）注入传感光纤。利用受激布里渊散射效应，散射光强利用受激布里渊散射效应，散射光强度更强度更强4848BOTDRBOTDR定位原理定位原理对一定频谱范围连续不断的进行循环扫描，获得各个时间段上的对一定频谱范围连续不断的进行循环扫描，获得各个时间段上的光谱，并将时间与位置相对应，即可获得沿光纤各位置处的布里光谱，并将时间与位置相对应，即可获得沿光纤各位置处的布里渊频谱图，并获得异常的布里渊频移量和散
31、射光功率。渊频谱图，并获得异常的布里渊频移量和散射光功率。4949BOTDRBOTDR优缺点优缺点优点：优点：1 1 连续分布式测量温度和应变连续分布式测量温度和应变2 2 高温度和应变分辨率高温度和应变分辨率4 4 高空间分辨率高空间分辨率5 5 超长传感范围超长传感范围( (超过超过8080公里公里) )6 6 同一根光纤既可用于传感，也可用于通信同一根光纤既可用于传感，也可用于通信缺点：缺点：需要激光器的输出稳定、线宽窄，对光源和控制系统的需要激光器的输出稳定、线宽窄，对光源和控制系统的要求很高；要求很高；由于自发布里渊散射相当微弱（比瑞利散射约小两个数由于自发布里渊散射相当微弱（比瑞利
32、散射约小两个数量级），检测比较困难，要求信号处理系统具有较高的量级），检测比较困难，要求信号处理系统具有较高的信噪比信噪比; ;由于在检测过程中需进行大量的信号加法平均、频率的由于在检测过程中需进行大量的信号加法平均、频率的扫描等处理扫描等处理, ,因而实现一次完整的测量需较长的时间因而实现一次完整的测量需较长的时间, ,实实时性不够好。时性不够好。5050检测检测30km 30km 光纤沿线的应变，光纤沿线的应变，空间分辨力可达空间分辨力可达1m1m。应变精度应变精度: 20 e (0.002%): 20 e (0.002%)温度精度温度精度 : 1: 1C C取样时间取样时间 : : 20
33、 s 20 s 至至 5 min (5 min (典型值：典型值：2 min) 2 min) 5151几种散射式传感技术的比较几种散射式传感技术的比较应用场合应用场合优点优点缺点缺点OTDROTDR断点、损断点、损伤检测伤检测连续显示衰减情连续显示衰减情况况 有盲区有盲区BOTDRBOTDR应力、温应力、温度度测量精度和分辨测量精度和分辨率高率高要求极窄线宽、可调线要求极窄线宽、可调线宽激光器；交叉干扰；宽激光器；交叉干扰；功率低功率低BOTDABOTDA应力、温应力、温度度测量精度和分辨测量精度和分辨率高，大动态范率高，大动态范围围系统复杂；两端测量；系统复杂；两端测量；不能检测断点；交叉干
34、不能检测断点；交叉干扰扰ROTDRROTDR温度温度较高测温精度较高测温精度返回的信号弱，大功率返回的信号弱，大功率光源光源5252（2 2）相位调制型分布式光纤传感器）相位调制型分布式光纤传感器5353 相位调制型分布式光纤传感器是利用干涉仪相位调制型分布式光纤传感器是利用干涉仪的原理进行分布式传感，例如前述的分布式瑞的原理进行分布式传感，例如前述的分布式瑞丽散射光纤传感器和分布式萨格纳克光纤传感丽散射光纤传感器和分布式萨格纳克光纤传感器。器。相位调制型光纤传感器相位调制型光纤传感器相位调制相位调制 当光纤受到机械应力作用时，光纤的长度、芯径、当光纤受到机械应力作用时，光纤的长度、芯径、纤芯
35、折射率都将发生变化，这些变化将导致光波纤芯折射率都将发生变化，这些变化将导致光波的相位变化的相位变化. .LLneffl2l/2effn是光在光纤中的传播常数是光在光纤中的传播常数由于相位变化很难直接检测，所以实由于相位变化很难直接检测，所以实际中通常使光发生干涉，将相位的变际中通常使光发生干涉，将相位的变化转变为光强的变化进行检测，之后化转变为光强的变化进行检测，之后再解调获得相位变化再解调获得相位变化光的干涉P1S2S1r2r光的干涉条件：光的干涉条件： 相干光源相干光源S S1 1、S S2 2发出的光发出的光波在空间波在空间P P点相遇，两列波点相遇，两列波在在P P点的干涉本质上是两
36、个点的干涉本质上是两个同方向、同频率的电磁简同方向、同频率的电磁简谐振动的叠加。谐振动的叠加。)cos()cos(222111tkraEtkraE- M-ZM-Z干涉型光纤传感器用作分布式振动传感干涉型光纤传感器用作分布式振动传感212cross()cos2LLT-随机干扰随机干扰干涉臂相位的随机变化干涉臂相位的随机变化干涉仪输出功率的随机变化干涉仪输出功率的随机变化以以M-ZM-Z干涉仪作为周界监干涉仪作为周界监控系统时，入侵事件出控系统时，入侵事件出现将导致接收信号功率现将导致接收信号功率的变化的变化5656M-ZM-Z干涉型光纤传感器的信号处理干涉型光纤传感器的信号处理信号处理的目标信号
37、处理的目标1).1).对干扰事件进行定性对干扰事件进行定性通过解调获得干扰臂的相位变化，进而根据相通过解调获得干扰臂的相位变化，进而根据相位变化情况分析干扰产生原因。位变化情况分析干扰产生原因。5757利用利用3 3* *3 3耦合器解调原理图耦合器解调原理图M-ZM-Z干涉型光纤传感器的信号处理干涉型光纤传感器的信号处理通过顺时针和逆时针传输的相位受干扰光通过顺时针和逆时针传输的相位受干扰光信号到达信号到达A A点和点和B B点的时延差可计算出产点的时延差可计算出产生干扰的位置。生干扰的位置。A A点和点和B B点分别对应点分别对应M-ZM-Z干干涉仪两个耦合器的位置。涉仪两个耦合器的位置。
38、P P点是干扰发生的位置点是干扰发生的位置使用时使干涉仪使用时使干涉仪两臂中同时存在两臂中同时存在顺时针和逆时针顺时针和逆时针传输的光传输的光(2 )/TLZ V -5858信号处理的目标信号处理的目标2).2).对干扰事件进行定位对干扰事件进行定位（适用于周界监控及管道监控等应用）（适用于周界监控及管道监控等应用）耦合器耦合器C2C2和和C3C3构成构成M-ZM-Z干涉仪干涉仪在计算机中对在计算机中对PD1PD1和和PD2PD2接收接收到的光信号进行互相关计算，到的光信号进行互相关计算，就可以获得干扰出现的时延差，就可以获得干扰出现的时延差，继而实现干扰定位继而实现干扰定位利用M-Z干涉仪进
39、行分布式传感的系统结构图5959 光纤光纤SAGNAC干涉型分布式传感器干涉型分布式传感器激光器发出的光经耦合器分为两束分别耦合进由同一光激光器发出的光经耦合器分为两束分别耦合进由同一光纤构成的光纤环中，沿相反方向传输，并于耦合器处再纤构成的光纤环中，沿相反方向传输，并于耦合器处再次发生干涉。次发生干涉。当传感光纤没有受到干扰时，干涉现象趋于稳定；受到当传感光纤没有受到干扰时，干涉现象趋于稳定；受到外界干扰时，正反向两光束会产生不同的相移，并于耦外界干扰时，正反向两光束会产生不同的相移，并于耦合器处发生干涉，干涉信号的光强与干扰发生位置具有合器处发生干涉，干涉信号的光强与干扰发生位置具有一定关
40、系。一定关系。R1 R2 SagnacSagnac干涉仪的另一个典型应用是干涉仪的另一个典型应用是光纤陀螺，即当环形光路有转动时，光纤陀螺，即当环形光路有转动时，顺逆时针的光会有非互易性的光程顺逆时针的光会有非互易性的光程差，可用于转动传感差，可用于转动传感6060光纤光纤SAGNAC干涉型分布式传感器定位原理干涉型分布式传感器定位原理当干扰源信号是正弦信号（或形如正弦信号）时，当干扰源信号是正弦信号（或形如正弦信号）时，接收信号的功率幅值为接收信号的功率幅值为00sin()2ssPP零点频率发生在零点频率发生在 0, ,.2sN ,12(2)s nulls nullNcfn LR-干扰源位置
41、干扰源位置R1R1与第与第N N个零频之间的关系为个零频之间的关系为通过分析接收光通过分析接收光信号的零频点位信号的零频点位置即可获得干扰置即可获得干扰源的位置源的位置2112()/n RRc -（上）有干扰时光强信号的理论计算值（下）实验值（上）有干扰时光强信号的理论计算值（下）实验值6161（3 3）偏振型分布式传感器）偏振型分布式传感器6262 偏振调制型光纤传感器的原理是利用高偏振调制型光纤传感器的原理是利用高双折射率光纤在外界因素下引起的偏振模双折射率光纤在外界因素下引起的偏振模耦合来感知被测量的变化，再利用扫描迈耦合来感知被测量的变化，再利用扫描迈克尔逊干涉仪测出被测量的位置。克尔
42、逊干涉仪测出被测量的位置。（4 4）微弯分布式传感器）微弯分布式传感器6363 利用光纤中的微弯损耗效应和利用光纤中的微弯损耗效应和OTDROTDR技术技术构成的。构成的。（4 4）荧光型分布式传感器）荧光型分布式传感器6464内容概要内容概要 65651. 1. 进入实用化阶段，逐步形成传感领域的一个新分支。进入实用化阶段，逐步形成传感领域的一个新分支。不少分布式光纤传感器以其特有的优点，替代或更新了不少分布式光纤传感器以其特有的优点，替代或更新了传统的测试系统，传统的测试系统，如光纤陀螺、光纤水听器等；如光纤陀螺、光纤水听器等；出现一些应用光纤传感技术的新型测试系统出现一些应用光纤传感技术
43、的新型测试系统，如分布式，如分布式光纤测温系统、以光纤光栅为主的光纤智能结构；光纤测温系统、以光纤光栅为主的光纤智能结构；改造了传统的测试系统改造了传统的测试系统，如利用电，如利用电/ /光转换和光光转换和光/ /电转换电转换技术技术, ,把传统的电子测量仪表改造成安全可靠的光纤式把传统的电子测量仪表改造成安全可靠的光纤式仪表等。许多特殊场合核工业、化工和石油钻探中也仪表等。许多特殊场合核工业、化工和石油钻探中也都应用了分布式光纤传感系统。都应用了分布式光纤传感系统。根据市场调查分析公司根据市场调查分析公司Business Communications Company发布的关于光纤传感器的市场
44、报告，从发布的关于光纤传感器的市场报告，从2005年到年到2011年，全球光纤传感器的整体市场将保持增长年，全球光纤传感器的整体市场将保持增长态势，预计平均年复合增长率为态势，预计平均年复合增长率为4.1%，至，至2011年，全年，全球产值将达上亿美元。球产值将达上亿美元。 6666 2. 2.新的传感技术不断出现，促进了相关领域技术的发展。新的传感技术不断出现，促进了相关领域技术的发展。例如，光纤传感网络的出现，促进了例如，光纤传感网络的出现，促进了智能材料和智能结智能材料和智能结构的发展构的发展；光子晶体光纤用于传感的可能性促进了光子；光子晶体光纤用于传感的可能性促进了光子晶体的发展等。晶
45、体的发展等。智能材料是指将敏感元件嵌入被测构件机体和材料中，智能材料是指将敏感元件嵌入被测构件机体和材料中，从而在构件或材料常规工作的同时实现对其安全运转、从而在构件或材料常规工作的同时实现对其安全运转、故障等的实时监控。其中，光纤和电导线与多种材料的故障等的实时监控。其中，光纤和电导线与多种材料的有效结合是关键问题之一。有效结合是关键问题之一。6767光纤传感技术的发展光纤传感技术的发展智能背心智能背心这是一件嵌入了光这是一件嵌入了光纤和电导线的背心，纤和电导线的背心，能够感知环境温度能够感知环境温度及化学成分的变化，及化学成分的变化，用于医学和军事应用于医学和军事应用。用。6868埋入了六
46、根光埋入了六根光纤的纺织品纤的纺织品3 3 原理性研究仍处于重要位置原理性研究仍处于重要位置由于很多分布式光纤传感器的开发是以取代当前已被广由于很多分布式光纤传感器的开发是以取代当前已被广泛采用的传统机电传感系统为目的，所以尽管分布式光泛采用的传统机电传感系统为目的，所以尽管分布式光纤传感器具有诸多优势，其市场渗透所面临的困难和挑纤传感器具有诸多优势，其市场渗透所面临的困难和挑战仍很巨大。而战仍很巨大。而那些具有前所未有全新功能的分布式光那些具有前所未有全新功能的分布式光纤传感器则在竞争中占有明显优势纤传感器则在竞争中占有明显优势。4 4 相关的应用开发也还任重道远相关的应用开发也还任重道远在
47、很多领域，分布式光纤传感技术尚未实现产业化，许在很多领域，分布式光纤传感技术尚未实现产业化，许多关键技术仍然停留在实验室样机阶段，距商业化还有多关键技术仍然停留在实验室样机阶段，距商业化还有一定的距离。一定的距离。6969五五 分布式光纤传感技术的应用分布式光纤传感技术的应用7070分布式光纤传感技术的应用分布式光纤传感技术的应用周界防护周界防护光缆传感监控系统工程施工实例根据防范的不同场合和要求，光根据防范的不同场合和要求，光纤可以构成各种形状，环置于需纤可以构成各种形状，环置于需要防范的周界处的适当位置，当要防范的周界处的适当位置，当入侵者侵入时，系统都会发出告入侵者侵入时，系统都会发出告
48、警信号警信号7171国庆国庆6060周年通州阅兵村的光缆预警系统采周年通州阅兵村的光缆预警系统采用的就是分布式光纤传感技术用的就是分布式光纤传感技术分布式光纤传感技术用于航空领域的多参量监测分布式光纤传感技术用于航空领域的多参量监测太空飞船太空飞船X-38X-38的再入式实验飞行器的再入式实验飞行器（NASANASA图片）图片）传感器布测区域传感器布测区域a.a.分布式温分布式温度传感方案度传感方案b.b.分布式应分布式应力传感方案力传感方案输出信号输出信号沿光纤传输光的沿光纤传输光的背向散射分量背向散射分量光纤温度传光纤温度传感元平面感元平面温度场分布温度场分布输入信号输入信号埋入光纤埋入光
49、纤应力传感应力传感元元输入信号输入信号输出信号输出信号光纤监测网光纤监测网损伤探测损伤探测7373分布式光纤传感技术的应用分布式光纤传感技术的应用管道泄露监测管道泄露监测7474各种分布式光纤传感技术的应用各种分布式光纤传感技术的应用传感原理传感原理传感监测量传感监测量应用领域应用领域B-OTDRB-OTDR应力，温度应力，温度管道泄露监测，结构管道泄露监测，结构健康监测等健康监测等R-OTDRR-OTDR温度温度油气油井里温度分布油气油井里温度分布监测、管道泄露监测监测、管道泄露监测等等M-ZM-Z微振动微振动周界防护等周界防护等SagnacSagnac较有规律较有规律的微振动的微振动气体管
50、道泄露监测、气体管道泄露监测、周界防护等周界防护等7676拉曼时域法拉曼频域法布里渊时域法布里渊频域法四种分布式光纤温度传感器参数比较传感类型温度探测及火灾探测系统进化-连续分布式光纤温度探测器第一代：铂电阻、热电偶、集成测温芯片光纤光栅等点式温度传感 器，当需要大范围检测时，需要组网，布线复杂，系统可靠 性差，维护工作量大测温技术的进化第二代：感温电缆、红外测温仪、双波长火焰探测器等线形温度传感器： 探测范围200米以内，这类传感器的缺点不能定位，感温电缆报 警后即失效，需要更换。 第三代：分布式光纤温度传感器： 用一根数公里长的光纤替代数千甚至上万个点式温度传感器，而且抗电磁干扰，保证安全
