1、分布式光纤传感分布式光纤传感技术与应用技术与应用内容概要内容概要光纤传感技术简介光纤传感技术简介光纤传感器的分类光纤传感器的分类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分布式光纤传感技术相位调制型分布式传感器相位调制型分布式传感器散射型分布式传感器散射型分布式传感器分布式光纤传感技术的应用分布式光纤传感技术的应用3 3分布式光纤传感技术分布式光纤传感技术利用光波在光纤中传输的特性，可沿光纤长度利用光波在光纤中传输的特性，可沿光纤长度方向连续的传感被测量（如温度、压力、应力方向连续的传感被测量（如温度、压力、应力和应变等）和应变等）光纤既是传感介质，又是被测量的传输介质。光纤既是传
2、感介质，又是被测量的传输介质。优点：优点：可在很大的空间范围内连续的进行传感，是其突出可在很大的空间范围内连续的进行传感，是其突出优点。优点。传感和传光为同一根光纤，传感部分结构简单，使传感和传光为同一根光纤，传感部分结构简单，使用方便。用方便。与点式传感器相比，单位长度内信息获取成本大大与点式传感器相比，单位长度内信息获取成本大大降低，性价比高。降低，性价比高。4 4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指分布式光纤传感器对沿光纤长度分布的被测量进指分布式光纤传感器对沿光纤长度分布的被测量进行测量时所能分辨的最小空间距离。行测量时所能分辨的最小空间距离。时间
3、分辨率时间分辨率指分布式光纤传感器对被测量监测时，达到被测量指分布式光纤传感器对被测量监测时，达到被测量的分辨率所需的时间。的分辨率所需的时间。被测量分辨率被测量分辨率指分布式光纤传感器对被测量能正确测量的程度。指分布式光纤传感器对被测量能正确测量的程度。以上三个分辨率之间有相互制约的关系。以上三个分辨率之间有相互制约的关系。5 5典型的分布式光纤传感器典型的分布式光纤传感器相位调制型传感器相位调制型传感器Mach-ZehnderMach-Zehnder干涉式传感器干涉式传感器SagnacSagnac干涉式传感器干涉式传感器散射型传感器散射型传感器布里渊散射型光纤传感器布里渊散射型光纤传感器拉
4、曼散射型光纤传感器拉曼散射型光纤传感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. .LLneff2/2effn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
5、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(222111tkraEtkraE8 8(1)M-Z(1)M-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
6、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1010M-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。利用利用3 3* *3 3耦合器解调原理图耦合器解调原理图1111M-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
7、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。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 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）1212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
8、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就可以获得干扰出现的时延差，继而实现干扰定位差，继而实现干扰定位利用M-Z干涉仪进行分布式传感的系统结构图1313(2) (2) 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
9、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1414散射型光纤传感器散射型光纤传感器利用背向瑞利散射利用背向瑞利散射OTDROTDR利用布里渊散射利用布里渊散射B-OTDRB-O
10、TDR、 B-OTDA B-OTDA利用拉曼散射利用拉曼散射R-OTDRR-OTDR1515(1)(1)光纤中的背向散射光分析光纤中的背向散射光分析布里渊散射和拉曼散射布里渊散射和拉曼散射在散射前后有频移，是在散射前后有频移，是非弹性散射非弹性散射斯托克斯光反斯托克斯光1616（2 2）光时域反射）光时域反射 (OTDR)(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
11、析。耗特性以及故障分析。当光脉冲在光纤中传输的时候，由于光纤本身的当光脉冲在光纤中传输的时候，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，其中背向瑞利散射光和菲涅尔反生散射、反射，其中背向瑞利散射光和菲涅尔反射光将返回输入端（主要是瑞利散射光，瑞利散射光将返回输入端（主要是瑞利散射光，瑞利散射是光波在光纤中传输时由于光纤纤芯折射率在射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
12、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。1717光时域反射光时域反射 (OTDR)(OTDR)技术技术散射型分布式传感技术对被测量的空间定位多基于光时域散射型分布式传感技术对被测量的空间定位多基于光时域反射反射 技术，即向光纤中注入一个脉冲，通过反射信号和入技术，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。射脉冲之间的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
13、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）。）。ncd2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1919(3)BOTDR(3)BOTDR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
14、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。2020BOTDRBOTDR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声学声子和散波场作用中，一泵浦光子湮灭产生一声学声子和散射射(Stokes)(Stokes)光子。光子。散射光与泵浦波的传播方向相反，与入射波的频移散射光与泵浦波的传播方向相反，与入射波的频移（在（在1.55mm1.55mm处）约为：处）约为：f fB B=11.1GHZ=
15、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2121BOTDRBOTDR传感原理传感原理布里渊散射斯托克斯光相对于入射光的频移为：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2222BOTDRBOTDR传感原理传感原理布里渊散
16、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 ()通过测量布里渊散射光频移通过测量布里渊散射光频移和光功率，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。 通过测量布里渊散射光频移通过测量布里渊散射光频移和光功率，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
17、大小。 2323BOTDRBOTDR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（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。2424BOTDRBOTDR与与BOTDA( BOTDA( BRILLOUIN OPTICAL TIME DOMAIN BRILLOUIN OPTICAL TIME DOMAIN ANALYSISANALYSIS) )BOTDRBOTDR系统从一端输入泵浦脉系统从一端输入
18、泵浦脉冲，在同一端检测返回信号的冲，在同一端检测返回信号的中心波长和功率。使用方便，中心波长和功率。使用方便，但自发布里渊散射信号很微弱，但自发布里渊散射信号很微弱，检测困难。检测困难。在在BOTDABOTDA中，处于光纤两端的可调中，处于光纤两端的可调谐激光器分别将一脉冲光（泵浦光）谐激光器分别将一脉冲光（泵浦光）与一连续光（探测光）注入传感光与一连续光（探测光）注入传感光纤。利用受激布里渊散射效应，散纤。利用受激布里渊散射效应，散射光强度更强射光强度更强2525BOTDRBOTDR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，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
19、光谱，并将时间与位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里渊频谱图，并获得异常的布里渊频移量和散射光功率。和散射光功率。2626BOTDRBOTDR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
20、的输出稳定、线宽窄，对光源和控制系统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；的要求很高；由于自发布里渊散射相当微弱（比瑞利散射约小两个由于自发布里渊散射相当微弱（比瑞利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数量级），检测比较困难，要求信号处理系统具有较高的信噪比高的信噪比; ;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、频率的扫描等处理的扫描等处理, ,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, ,实时性不够好。实时性不够好。2727检测检测30km 30km 光纤沿线的应变，光纤沿线
21、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 s : 20 s 至至 5 min (5 min (典型值：典型值：2 min) 2 min) 2828（3 3）ROTDRROTDR光时域拉曼散射光纤传感器光时域拉曼散射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
22、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 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）。2929ROTDRROTDR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
23、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度强烈依赖于温度，而斯托克斯光则不是。则通过测量斯托克斯光与反斯克斯光则不是。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
24、化。3030ROTDRROTDR传感原理传感原理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。3131几种散射式传感技术的比较几种散射式传感
25、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3232(5)(5
26、)分布式光纤传感技术的应用分布式光纤传感技术的应用3333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，系统都会发出告警信号警信号光波所为国庆光波所为国庆6060周年通州阅兵村提供的光周年通州阅兵村提供的光缆预警系统采用的就是分布式光纤传感技术缆预警系统采用的就是分布式光纤传感技术3535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
27、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光纤蒙皮光纤蒙皮3636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如果需要测量几千
28、米的范围内、多达几千个点的温度，只需要一条普通的光纤和一台小型仪器，就可以解决问题！分布式光纤温度检测监控系统温度测量原理温度测量原理利用背向喇曼散射测量温度的原理示意图利用背向喇曼散射测量温度的原理示意图信号处理电路激光二极管输入脉冲 后向喇曼散射信号光电探测器光纤 2km (GI62.5/125)计算机耦合器光纤滤波器光电探测器信号放大电路参考信号4040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道泄露监测、气体管道泄露监测、周界防护等周界防护等
