1、2021/3/151 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2021/3/152 2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2021/3/153 3一一 光纤传感技术简介光纤传感技术简介光纤传感器用光作为敏感信息的载体光纤传感器用光作为敏感信息的载体,用光纤用光纤作为传递敏感信息的媒质。作为传递敏感信息的媒质。同时具有光纤及光学测量的特点同时具有
2、光纤及光学测量的特点:电绝缘性能好。电绝缘性能好。抗电磁干扰能力强。抗电磁干扰能力强。非侵入性。非侵入性。高灵敏度。高灵敏度。容易实现对被测信号的远距离监控。容易实现对被测信号的远距离监控。光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量、电压、磁场等物理量2021/3/154 4二二 光纤传感器的分类光纤传感器的分类根据光纤在传感器中的作用根据光纤在传感器中的作用可分为功能型、非功能型和拾光型三大类可分为功能型、非功能型和拾光型三大类根据光受被测对象的调制形式根据光受被
3、测对象的调制形式可分为可分为:强度调制型、强度调制型、相位调制型、相位调制型、偏振调制偏振调制型型、频、频率调制率调制型四大类型四大类根据光是否发生干涉根据光是否发生干涉可分为干涉型和非干涉型可分为干涉型和非干涉型根据是否能够随距离的增加连续地监测被测量根据是否能够随距离的增加连续地监测被测量可分为分布式和点式可分为分布式和点式2021/3/155 51.1.根据光纤在传感器中的作用分类根据光纤在传感器中的作用分类功能型（全光纤型）光纤传感器功能型（全光纤型）光纤传感器利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光或特殊光纤纤)作传感元件作传感元
4、件,将将“传传”和和“感感”合为一体。合为一体。非功能型（或称传光型）光纤传感器非功能型（或称传光型）光纤传感器光纤仅起导光作用光纤仅起导光作用,只只“传传”不不“感感”,对外界信息的对外界信息的“感感觉觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。功能依靠其他物理性质的功能元件完成。拾光型光纤传感器拾光型光纤传感器用光纤作为探头用光纤作为探头,接收由被测对象辐射的光或被其反射、散接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。纤温度传感器等。信号处理光受信器光发送器光纤耦合器被测对象2021/3
5、/156 62.2.根据光受被测对象的调制形式分类根据光受被测对象的调制形式分类光纤传感是对光波的参量进行调制光纤传感是对光波的参量进行调制 可调制参量可调制参量:强度调制型光纤传感器强度调制型光纤传感器是一种是一种利用被测对象的变化引起利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化射等参数的变化,而导致而导致光强度变化光强度变化来实现敏感测量的传感器。来实现敏感测量的传感器。相位调制传感器相位调制传感器其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用,使敏感元件的使敏感元件的折射率或传播常数发生变化折射率或传播常数发生
6、变化,而而导致光的相位变化导致光的相位变化,进而进而使两束使两束单色光所产生的干涉效果发生变化单色光所产生的干涉效果发生变化,通过检测干涉效果的变化通过检测干涉效果的变化量来确定光的相位变化量量来确定光的相位变化量,从而得到被测对象的信息。从而得到被测对象的信息。）（kztEEcos0kztkE,02021/3/157 7根据光受被测对象的调制形式分类根据光受被测对象的调制形式分类频率调制光纤传感器频率调制光纤传感器是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发生变化来进行监测的传感器。的频率发生变化来进行监测的传感器。偏振调制光纤传感器偏振调制光
7、纤传感器是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。传感器。2021/3/158 8传感器传感器光学现象光学现象被测量被测量光纤光纤分类分类干涉型相位调制型弹光效应Sagnac效应电、磁致伸缩振动、压力、加速度、位移角速度电场、电压、电流、磁场SM、PMSM、PMSM、PMaaa非 干 涉 型强度调制型遮光板遮断光路光纤微弯损耗气体分子吸收位移振动、压力、加速度、位移气体浓度MMSMMMbbb偏振调制型法拉第效应泡克尔斯效应双折射变化电流、磁场电场、电压、温度SMMMSMb,abb频率调制型多普勒效应拉曼散射布里渊散射速度、流速、振动、加速度温度
8、温度、应力MMMMMMcaa光纤传感器的分类光纤传感器的分类注:MM多模;SM单模;PM偏振保持;a,b,c:功能型、非功能型、拾光型2021/3/159 9三三 光纤传感技术的发展光纤传感技术的发展1.1.进入实用化阶段进入实用化阶段,逐步形成传感领域的一个新的逐步形成传感领域的一个新的分支。分支。不少光纤传感器以其特有的优点不少光纤传感器以其特有的优点,替代或更新了传统的替代或更新了传统的测试系统测试系统,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
9、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/电转换电转换技术以及光纤传输技术技术以及光纤传输技术,把传统的电子式测量仪表改造把传统的电子式测量仪表改造成安全可靠的先进光纤式仪表等。许多特殊场合核工成安全可靠的先进光纤式仪表等。许多特殊场合核工业、化工和石油钻探中也都应用了光纤传感系统。业、化工和石油钻探中也都应用了光纤传感系统。根据市场调查分析公司根据市场调查分析公司BusinessCommunicationsCompanyBusinessCommunicationsCompany发布的关于光纤传感器的市场报告发
10、布的关于光纤传感器的市场报告,从从20052005年到年到20112011年年,全全球光纤传感器（球光纤传感器（FOSFOS）的整体市场将保持适度增长态势）的整体市场将保持适度增长态势,预计平均年复合增长率为预计平均年复合增长率为4.1%4.1%,至至20112011年年,全球产值将达全球产值将达为为3.723.72亿美元。亿美元。2021/3/151010光纤传感技术的发展光纤传感技术的发展2.2.新的传感技术不断出现新的传感技术不断出现,促进了相关领域技术的发促进了相关领域技术的发展。展。例如例如,光纤传感网络的出现光纤传感网络的出现,促进了促进了智能材料和智能结构的智能材料和智能结构的发
11、展发展;光子晶体光纤用于传感的可能性促进了光子晶体的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。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,从从而在构件或材料常规工作的同时实现对其安全运转、故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。其中障等的实时监控。其中,光纤和电导线与多种材料的有效光纤和电导线与多种材料的有效结合是关键问题之一。结合是关键问题之一。2021/3/151111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
12、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。埋入了六根光埋入了六根光纤的纺织品纤的纺织品2021/3/151212光纤传感技术的发展光纤传感技术的发展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光纤传感器的开发是以取代当前已被广泛采用由于很多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的传统机电传感系统为目的,所以尽管光纤传感器具有诸所以尽管光纤传感器具有诸多优势多优势,其市场渗透所面临的困难和挑战仍很巨大。而其市场渗透所面临的困难和挑战仍很巨大。而那那些具有前所未有全新功能的光纤传感器则在竞争中占有些具
13、有前所未有全新功能的光纤传感器则在竞争中占有明显优势明显优势。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很多领域在很多领域,光纤传感技术尚未实现产业化光纤传感技术尚未实现产业化,许多关键技许多关键技术仍然停留在实验室样机阶段术仍然停留在实验室样机阶段,距商业化还有一定的距离距商业化还有一定的距离。2021/3/151313四四 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利用光波在光纤中传输的特性,可沿光纤长度方可沿光纤长度方向连续的传感被测量（如温度、压力、应力和向连续的传感被测量（如温度、压力、应力和应变等）应变等）光纤既是传感介质光纤既是传感介质,又
14、是被测量的传输介质。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可在很大的空间范围内连续的进行传感,是其突出优是其突出优点。点。传感和传光为同一根光纤传感和传光为同一根光纤,传感部分结构简单传感部分结构简单,使用方使用方便。便。与点式传感器相比与点式传感器相比,单位长度内信息获取成本大大降单位长度内信息获取成本大大降低低,性价比高。性价比高。2021/3/151414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
15、的最小空间距离。时间分辨率时间分辨率指分布式光纤传感器对被测量监测时指分布式光纤传感器对被测量监测时,达到被测量的达到被测量的分辨率所需的时间。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。2021/3/151515典型的分布式光纤传感器典型的分布式光纤传感器4-1 4-1 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4-2 4-2
16、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曼散射型光纤传感器拉曼散射型光纤传感器2021/3/151616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当光纤受到机械应力作用时,光纤的长度、芯径、光纤的长度、芯径、纤芯折射率都将发生变化纤芯折射率都将发生变化,这些变化将导致光波的这些变化将导致光波的相位变化相位变化.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由于相位变化很难直接检测,所以实际所以实际中通常使光发生干涉中通常使光发生干涉,将相位的变化转将相位的变化转变为光强的变化进
17、行检测变为光强的变化进行检测,之后再解调之后再解调获得相位变化获得相位变化2021/3/151717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点相遇点相遇,两列波在两列波在P P点的干涉本质上是两个同点的干涉本质上是两个同方向、同频率的电磁简谐方向、同频率的电磁简谐振动的叠加。振动的叠加。)cos()cos(222111tkraEtkraE2021/3/151818(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
18、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控系统时,入侵事件出现入侵事件出现将导致接收信号功率的将导致接收信号功率的变化变化2021/3/151919M-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通过解调获得干扰臂的相位变化,进而根据相位进而根据相位变化情况分析干扰产生原因。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2021/3/152
19、020M-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。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
20、及管道监控等应用）（适用于周界监控及管道监控等应用）2021/3/152121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接接收到的光信号进行互相关计收到的光信号进行互相关计算算,就可以获得干扰出现的时就可以获得干扰出现的时延差延差,继而实现干扰定位继而实现干扰定位利用M-Z干涉仪进行分布式传感的系统结构图2021/3/152222(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纤构成的光纤环
21、中,沿相反方向传输沿相反方向传输,并于耦合器处再次并于耦合器处再次发生干涉。发生干涉。当传感光纤没有受到干扰时当传感光纤没有受到干扰时,干涉现象趋于稳定干涉现象趋于稳定;受到外受到外界干扰时界干扰时,正反向两光束会产生不同的相移正反向两光束会产生不同的相移,并于耦合器并于耦合器处发生干涉处发生干涉,干涉信号的光强与干扰发生位置具有一定干涉信号的光强与干扰发生位置具有一定关系。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光纤陀螺,即当环形光路有转动时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差,可用于
22、转动传感可用于转动传感2021/3/152323光纤光纤SAGNAC干涉型分布式传感器定位原干涉型分布式传感器定位原理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,接接收信号的功率幅值为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
23、（下）实验值（上）有干扰时光强信号的理论计算值（下）实验值2021/3/1524244-2 4-2 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-OTDR、B-OTDA B-OTDA利用拉曼散射利用拉曼散射R-OTDRR-OTDR2021/3/152525(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在散射前后有频移,是非是非弹性散射弹性散射斯托克斯光反斯托克斯光2021/3/152626（2 2）光时域反射）光时域反射 (OTDR)(OTDR)技术技
24、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,由于光纤本身的性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生质、连接器、接头、弯曲或其他类似事件而产生散射、反射散射、反射,其中其中背向瑞利散射光和菲涅尔反射光背向瑞利散射光和菲涅尔反射光将返回输入端将返回输入端（主要是瑞利散射光（主要是瑞利散射光,
25、瑞利散射瑞利散射是光是光波在光纤中传输时由于光纤纤芯折射率在微观上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的起伏而引起的线性散射,是光纤的固有特性）。是光纤的固有特性）。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。2021/3/152727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 技术技术,即向光纤中注入一个脉冲即向光纤中注入一个脉冲,通过反射信号
26、和入射通过反射信号和入射脉冲之间的时间差来确定空间位置。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,而脉冲的宽度决而脉冲的宽度决定了空间定位精度（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）。）。ncd22021/3/152828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2021/3/152929(3)BOTDR(3)B
27、OTDR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是入射光与声波或传播的压力波相互作用的结果,这个传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。2021/3/153030BOTDRBOTDR布里渊散射布里渊散射量子光学描述量子光学描述:入射光波（泵浦）与介质内弹性声波入射光波（泵浦）与
28、介质内弹性声波场作用中场作用中,一泵浦光子湮灭产生一声学声子和散射一泵浦光子湮灭产生一声学声子和散射(Stokes)(Stokes)光子。光子。散射光与泵浦波的传播方向相反散射光与泵浦波的传播方向相反,与入射波的频移（与入射波的频移（在在1.55mm1.55mm处）约为处）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2021/3/153131BOTDRBOTDR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
29、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2021/3/153232BOTDRBOTDR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
30、=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和光功率,就可以求得被测量就可以求得被测量点的温度和应力的大小。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和光功率,就可以求得被测量就可以求得被测量点的温度和应力的大小。点的温度和应力的大小。2021/3/153333BOTDRBOTDR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/%（
31、1550nm）温度的影响较小温度的影响较小。2021/3/153434BOTDRBOTDR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泵浦脉冲冲,在同一端检测返回信号的中在同一端检测返回信号的中心波长和功率。使用方便心波长和功率。使用方便,但自但自发布里渊散射信号很微弱发布里渊散射信号很微弱,检测检测困难。困难。在在BOTDABOTDA中中,处于光纤两端的可处于光纤两端的可调谐激光器分别将一脉冲光（泵调谐
32、激光器分别将一脉冲光（泵浦光）与一连续光（探测光）注浦光）与一连续光（探测光）注入传感光纤。利用受激布里渊散入传感光纤。利用受激布里渊散射效应射效应,散射光强度更强散射光强度更强2021/3/153535BOTDRBOTDR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光谱获得各个时间段上的光谱,并将时间与位并将时间与位置相对应置相对应,即可获得沿光纤各位置处的布即可获得沿光纤各位置处的布里渊频谱图里渊频谱图,并获得异常的布里渊频移量并获得异常的布里渊频移量和散射光功率。和散射光功率。2021/3/153636BOTDRBOTDR优
33、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同一根光纤既可用于传感,也可用于通信也可用于通信缺点缺点:需要激光器的输出稳定、线宽窄需要激光器的输出稳定、线宽窄,对光源和控制系统的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）数量级）,检测比较困难检测比较困难,要求信号处理系统具有较高的要求信号处理系统具有较高的
34、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。2021/3/153737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 s:20 s 至至 5 min(5 min(典型值典型值:2 min)2 min)2021/3/153838（3 3）RO
35、TDRROTDR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:在任何分子介质中在任何分子介质中,光通过介质时由于入射光与分子运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动相互作用会引起的频率发生变化的散射,此过程为拉此过程为拉曼散射曼散射量子力学描述量子力学描述:分子吸收频率为分子吸收频率为 V V0 0的光子的光子,发射发射V V0 0-V-Vi i的光的光子子,同时分子从低能态跃迁到高能态（对应斯托克斯光同时分子从低能态跃迁到高能态（对应斯托克斯光）;分子吸收频率为分子吸收频率为V V0 0的光子的光子,发射发射V V0 0+V+
36、Vi i的光子的光子,同时分同时分子从高能态跃迁到低能态（反斯托克斯光）。子从高能态跃迁到低能态（反斯托克斯光）。2021/3/153939ROTDRROTDR传感原理传感原理拉曼散射由分子热运动引起拉曼散射由分子热运动引起,所以拉曼散射光可所以拉曼散射光可以携带散射点的温度信息。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反斯托克斯光的幅度强烈依赖于温度,而斯托克而斯托克斯光则不是。斯光则不是。则通过测量斯托克斯光与反斯托则通过测量斯托克斯光与反斯托克斯光的功率比克斯光的功率比,可以探测到温度的变化。可以探测到温度的变化。由于自发拉曼散射光一般很弱由于自发拉曼散射光一般很弱,比自
37、发布里渊散比自发布里渊散射光还弱射光还弱10dB10dB,所以必须采用高输入功率所以必须采用高输入功率,且需对且需对探测到的后向散射光信号取较长时间内的平均探测到的后向散射光信号取较长时间内的平均值。值。此方法上世纪此方法上世纪8080年代就已被提出年代就已被提出,并商用化。并商用化。2021/3/154040ROTDRROTDR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
38、值的分布式光纤温度测量克斯与斯托克斯比值的分布式光纤温度测量,其结果消除了其结果消除了光源波动、光纤弯曲等因素的影响光源波动、光纤弯曲等因素的影响,只与沿光纤的温度场有只与沿光纤的温度场有关关,因此可长时间保证测温精度。因此可长时间保证测温精度。2021/3/154141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、可调线宽激光器宽激光器;交叉干扰交叉干扰;功功率低
39、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率高,大动态范围大动态范围系统复杂系统复杂;两端测量两端测量;不不能检测断点能检测断点;交叉干扰交叉干扰ROTDRROTDR温度温度较高测温精度较高测温精度返回的信号弱返回的信号弱,大功率大功率光源光源2021/3/154242(5)(5)分布式光纤传感技术的应用分布式光纤传感技术的应用2021/3/154343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根据防范的不同场合和要求,光纤可以构成各种形状光纤可以构成各种形状,环置环置于需要防范的周界处
40、的适当于需要防范的周界处的适当位置位置,当入侵者侵入时当入侵者侵入时,系统都系统都会发出告警信号会发出告警信号2021/3/154444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2021/3/154545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
41、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2021/3/154646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2021/3/154747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应力应力,温度温度管道泄露监测管道泄露监测,结构健结构健康监测等康监测等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
