全光纖分布式振動(dòng)傳感技術(shù)研究

1、全光纖分布式振動(dòng)傳感技術(shù)研究分布式光纖傳感技術(shù)是20世紀(jì)70年代末伴隨著光纖傳感技術(shù)和光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的。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,因而非常適合用于長(zhǎng)距離干線的監(jiān)測(cè)。目前,這項(xiàng)技術(shù)已成為光纖傳感技術(shù)中最具前途的技術(shù)之一。當(dāng)前,我國(guó)對(duì)于油氣管道、電網(wǎng)、通信網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)測(cè)主要是依據(jù)設(shè)施自身的一些生產(chǎn)參數(shù)(如壓力突降、中間站油罐液位的不正常變化和人工巡視、路人的報(bào)告等手段。這些手段技術(shù)含量低,普遍存在效率低、實(shí)時(shí)性差、反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、抗干擾能力差等缺陷。常常是監(jiān)測(cè)設(shè)施遭受破壞后才能報(bào)警,實(shí)用性受自然和人為雙重因素的制約。這種“亡羊補(bǔ)牢式”的

2、事后檢測(cè)技術(shù),只能減少而不能避免損失。對(duì)長(zhǎng)距離通信干線的監(jiān)測(cè),特別是受電磁干擾的影響,不可能實(shí)施依靠電的方式進(jìn)行傳感監(jiān)測(cè)。因此,光纖傳感技術(shù)將成為進(jìn)行電力、通信和油氣管道等行業(yè)的安全監(jiān)測(cè)和預(yù)防人為破壞的主要技術(shù)手段。但大多數(shù)光纖傳感系統(tǒng)基于點(diǎn)傳感器,這樣覆蓋大區(qū)域或長(zhǎng)距離就需要布設(shè)大量傳感器,導(dǎo)致系統(tǒng)成本和復(fù)雜性升高,使應(yīng)用受限,甚至無(wú)法實(shí)施。相比之下,分布式光纖傳感技術(shù)由于傳感器布設(shè)數(shù)量較少,系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單,因此具有更好的應(yīng)用前景。但目前國(guó)際上已開發(fā)并商品化的分布式技術(shù)較少,且其中多數(shù)采用的是溫度傳感器,而能夠準(zhǔn)確定位的更是少數(shù)。同時(shí),受限于測(cè)量低功率短光脈沖反向傳輸時(shí)間的計(jì)時(shí)要求(大多數(shù)基于

3、時(shí)域反射計(jì),即OTDR技術(shù).多數(shù)技術(shù)只能進(jìn)行靜態(tài)或參數(shù)變化很少的監(jiān)控,系統(tǒng)應(yīng)用范圍狹窄,缺乏實(shí)用性。而對(duì)于干線安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō),必須獲得實(shí)時(shí)的、半靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)信息及其發(fā)生位置,特別是OTDR技術(shù)無(wú)法檢測(cè)的瞬間事件?；谝陨峡紤],我們提出一種新型的干涉型分布式光纖傳感系統(tǒng).通過(guò)一系列信號(hào)處理過(guò)程,此系統(tǒng)可動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)地對(duì)加諸于傳感光纖上任意大小的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確定位,具有廣泛的應(yīng)用前景。光纖傳感器簡(jiǎn)介近年來(lái),傳感器在朝著靈敏、精確、適應(yīng)性強(qiáng)、小巧和智能化的方向發(fā)展。在這一過(guò)程中,光纖傳感器這個(gè)傳感器家族的新成員倍受青睞。光纖傳感器是20世紀(jì)70年代伴隨著光導(dǎo)纖維和光纖通訊技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)

4、的。光纖以其傳輸損耗小、保密性高、傳輸帶寬大的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)中,除此之外,光纖也可用來(lái)作為傳感器方面的設(shè)計(jì)。光纖作為感受外界信號(hào)的承受體可以感應(yīng)溫度、位移、電場(chǎng)、應(yīng)力等的變化。而這些變化則表現(xiàn)為光纖內(nèi)部結(jié)構(gòu)的某些微觀或者介觀結(jié)構(gòu)的變化,故在其中傳輸?shù)墓庑盘?hào)也受到影響:傳統(tǒng)的傳感器以應(yīng)變_電量為基礎(chǔ),以電信號(hào)為轉(zhuǎn)換及傳輸?shù)妮d體,用導(dǎo)線傳輸電信號(hào),因而使用時(shí)受到環(huán)境的限制;光纖傳感器則是以光信號(hào)為變換和傳輸?shù)妮d體,利用光纖傳輸光信號(hào),其優(yōu)點(diǎn)在于:1光纖是由石英玻璃制成的,是一種介質(zhì)、絕緣體,且耐高壓、耐腐蝕,能在易燃易爆的環(huán)境下可靠運(yùn)用;2光纖為無(wú)源器件,對(duì)被測(cè)對(duì)象不產(chǎn)生影響:3光纖體

5、積小,重量輕,可做成任意形狀的傳感器陣列:4光纖傳感器的載體是光,其頻率數(shù)量級(jí)為1014Hz,從而使傳感器頻帶范圍很寬,動(dòng)態(tài)范圍很大,且不受電磁場(chǎng)干擾;5具有極高的靈敏度和分辨率。所有這些,都是普通傳感器所無(wú)法比擬的。光纖能夠在人達(dá)不到的地方(如高溫區(qū),或者對(duì)人有害的地區(qū)(如核輻射區(qū),起到人的耳目的作用。而且還能超越人的生理界限,接收人的感官所感受不到的外界信息。而且在當(dāng)前數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)爆炸式增長(zhǎng),通信道路越來(lái)越擁擠的情況下,以光替代電作為傳輸手段也是趨勢(shì)。因此,光纖傳感技術(shù)將成為進(jìn)行電力、通信和油氣管道等行業(yè)的安全監(jiān)測(cè)和預(yù)防人為破壞的主要技術(shù)手段。美國(guó)是研究光纖傳感器起步最早、水平最高的國(guó)家,在軍

6、事和民用領(lǐng)域的應(yīng)用方面,其進(jìn)展都十分迅速。在軍事應(yīng)用方面,研究和開發(fā)主要包括:用于水下探測(cè)的光纖傳感器、用于航空監(jiān)測(cè)的光纖傳感器、光纖陀螺、用于核輻射檢測(cè)的光纖傳感器等,這些研究都分別由美國(guó)空軍、海軍、陸軍和國(guó)家宇航局(NASA的有關(guān)部門負(fù)責(zé),并得到許多大公司的資助。美國(guó)也是最早將光纖傳感器用于民用領(lǐng)域的國(guó)家,如運(yùn)用光纖傳感器監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)的電流、電壓溫度等重要參數(shù),監(jiān)測(cè)橋梁和重要建筑物的應(yīng)力變化,檢測(cè)肉類和食品的細(xì)菌和病毒等。日本和西歐各國(guó)也高度重視光纖傳感器的研究,并投入大量經(jīng)費(fèi)開展光纖傳感器的研究與開發(fā)。日本在20世紀(jì)80年代便制定了“光控系統(tǒng)應(yīng)用計(jì)劃”,該計(jì)劃旨在將光纖傳感器用于大型電廠

7、,以解決強(qiáng)電磁干擾和易燃易爆等惡劣環(huán)境中的信息測(cè)量、傳輸和生產(chǎn)過(guò)程的控制。20世紀(jì)90年代,由東芝、日本電氣等15家公司和研究機(jī)構(gòu),研究開發(fā)出12種具有一流水平的民用光纖傳感器。西歐各國(guó)的大型企業(yè)和公司也積極參與了光纖傳感器的研發(fā)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng),其中包括英國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)電訊公司、法國(guó)的湯姆遜公司和德國(guó)的西門予公司等。我國(guó)在20世紀(jì)70年代末就開始了光纖傳感器的研究,其起步時(shí)間與國(guó)際相差不遠(yuǎn)。目前已有上百個(gè)單位在這一領(lǐng)域開展工作,主要集中在各大高校和研究院所,其中相當(dāng)數(shù)量的研究成果具有很高的實(shí)用價(jià)值,有的達(dá)到世界先進(jìn)水平。光纖傳感器一般由光源、入射光纖、出射光纖、光調(diào)制器、光探測(cè)器及解調(diào)器組成,其基本原理

8、是將光源的光經(jīng)入射光纖送入調(diào)制區(qū),光在調(diào)制區(qū)內(nèi)與外界被測(cè)參數(shù)相互作用,使光的光學(xué)性質(zhì)(如強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏振態(tài)等發(fā)生變化而成為被調(diào)制的信號(hào)光,再經(jīng)出射光纖送入光探測(cè)器、解調(diào)器而獲得被測(cè)參數(shù)。光纖傳感器按傳感原理可分為兩類。一類是傳光型(或稱非功能型傳感器,另一類是傳感型(或稱功能型傳感器。在傳光型光纖傳感器中,光纖僅作為光的傳輸媒質(zhì),對(duì)被測(cè)信號(hào)的感覺是靠其它敏感元件來(lái)完成的。這種傳感器中出射光纖和入射光纖是不連續(xù)的,兩者之間的調(diào)制器是光譜變化的敏感元件或其它性質(zhì)的敏感元件。在傳感型光纖傳感器中光纖兼有對(duì)被測(cè)信號(hào)的敏感及光信號(hào)的傳輸作用,將信號(hào)的“感”和“傳”合而為一,因此這類傳感器中光

9、纖是連續(xù)的。按信號(hào)在光纖中被調(diào)制的原理不同,光纖傳感器可分為強(qiáng)度調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏振態(tài)調(diào)制型、頻率調(diào)制型、波長(zhǎng)調(diào)制型等。即屬于相位調(diào)制型光纖傳感器范疇。相位調(diào)制型傳感器的原理是將外界信號(hào)作用到干涉儀上。干涉儀上測(cè)量臂傳輸?shù)墓馀c參考臂的參考光互相干涉(比較,使輸出的光的相位發(fā)生變化,通過(guò)對(duì)相位的解調(diào)就可檢測(cè)出外界信號(hào)的變化。光纖中傳輸?shù)南辔皇芡饨缬绊懙撵`敏度很高,利用干涉技術(shù)能夠檢測(cè)出任意大小相位變化所對(duì)應(yīng)的物理量。利用光纖的可繞性和低損耗,能夠?qū)⒑荛L(zhǎng)的光纖盤成直徑很小的光纖圈,以增加利用長(zhǎng)度,獲得更高的靈敏度。從基本作用來(lái)分類,光纖傳感器可以劃分為光纖溫度傳感器、光纖位移傳感器、光纖應(yīng)變傳

10、感器等等網(wǎng),分別可以感知外界的溫度、位移與應(yīng)變的大小。如果外界物理量的變化為振動(dòng)信號(hào),則傳感器中光纖作為感應(yīng)承受體發(fā)生內(nèi)部應(yīng)變,從而使得光信號(hào)的強(qiáng)度或相位發(fā)生變化,因此起到了傳感器的作用。在本文中將這一類的光纖傳感器統(tǒng)稱為光纖振動(dòng)傳感器,測(cè)量外界應(yīng)變、振動(dòng)都可以歸為這一類。另一種分類方法,如果整段的光纖作為感應(yīng)外界信號(hào)的受體,則稱為分布式光纖傳感。這是一種利用光纖幾何上的一維特性進(jìn)行測(cè)量的技術(shù),將被測(cè)量作為光纖位置長(zhǎng)度的函數(shù)?？梢栽谡麄€(gè)光纖長(zhǎng)度上對(duì)沿光纖幾何路徑分布的外部物理參量進(jìn)行連續(xù)的測(cè)量:若只有其中部分光纖(通常進(jìn)行了部分改造如引入光纖光柵作為感應(yīng)受體。則是點(diǎn)傳感器,要感應(yīng)整個(gè)光纖分布線

11、上的情況則需采用布點(diǎn)的方法。本文要討論的是分布式光纖傳感技術(shù)。在這幾十年里,國(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)和公司都投入了大量人力物力財(cái)力進(jìn)行這方面的研究,分布式光纖傳感技術(shù)得到快速發(fā)展,基于各種原理的分布式光纖傳感器被開發(fā)出來(lái),并且逐漸從實(shí)驗(yàn)研究走向?qū)嶋H應(yīng)用。目前,這項(xiàng)技術(shù)已被應(yīng)用于航空航天、土木工程、化工、軍事、交通等許多領(lǐng)域,已成為光纖傳感技術(shù)中最具前途的技術(shù)之一。分布式光纖傳感技術(shù)是指將傳感光纖沿場(chǎng)分布,并采用獨(dú)特的探測(cè)技術(shù),去感知光纖傳輸路徑上待測(cè)場(chǎng)(如溫度、壓力的空間分布和隨時(shí)間變化的信息。分布式光纖傳感系統(tǒng)的特點(diǎn)是,利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件,光纖總線不僅起傳光作用,還起傳感作用。分

12、布式光纖傳感系統(tǒng)有下列優(yōu)點(diǎn):(1信息量大。分布式光纖傳感系統(tǒng)能在整個(gè)連續(xù)光纖的長(zhǎng)度上,以距離的連續(xù)函數(shù)的形式傳感出被測(cè)參數(shù)隨光纖長(zhǎng)度方向的變化。即光纖任一點(diǎn)都是“傳感器”,它的信息量可以說(shuō)是海量信息。(2結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可靠性高。由于分布式光纖傳感系統(tǒng)的光纖總線不僅起傳光作用,而且起傳感作用。因此結(jié)構(gòu)異常簡(jiǎn)單,方便施工,潛在故障少,可維護(hù)性好,可靠性高。(3使用方便。光纖埋設(shè)后,測(cè)點(diǎn)可以按需要設(shè)定,可以取2m距離為一個(gè)測(cè)點(diǎn),也可以取lm距離為一個(gè)測(cè)點(diǎn)等,按需要可以改變?cè)O(shè)定。因此,在病害定位監(jiān)測(cè)時(shí)極其方便。(4性能價(jià)格比好。目前,光纖價(jià)格不高,一條光纖的測(cè)點(diǎn)又可達(dá)成百上千個(gè)。因此,每一個(gè)測(cè)點(diǎn)的價(jià)格就遠(yuǎn)

13、遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)單測(cè)點(diǎn)的價(jià)格,性能價(jià)格比相當(dāng)好。分布式光纖傳感系統(tǒng)相對(duì)于電信號(hào)為基礎(chǔ)的傳感系統(tǒng)和點(diǎn)式光纖傳感系統(tǒng)而言。無(wú)論是從傳感技術(shù)的難度、傳感量的內(nèi)容及指標(biāo),還是從傳感的場(chǎng)合和范圍都提高到了一個(gè)新的階段。分布式光纖溫度及應(yīng)力傳感是分布式光纖傳感器中研究最活躍的領(lǐng)域,分布式光纖溫度傳感器在國(guó)外已實(shí)現(xiàn)商品化。并用于大型電力變壓器、高壓電力網(wǎng)、高層建筑等大的或長(zhǎng)的設(shè)備溫度分布測(cè)量和監(jiān)控。分布式光纖傳感器在多層建筑、橋梁、水壩、飛行器、壓力容器等重大結(jié)構(gòu)與設(shè)備方面有重要的應(yīng)用前景。目前已有利用分布式光纖傳感器對(duì)靜止電纜橋、飛機(jī)多層結(jié)構(gòu)沖擊探測(cè)等方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的報(bào)道。根據(jù)監(jiān)測(cè)空間范圍不同,采用分布式光纖傳感

14、技術(shù)進(jìn)行測(cè)量的分布式光纖傳感器可以分為準(zhǔn)分布式光纖傳感器和全分布式光纖傳感器。準(zhǔn)分布式光纖傳感器是由多個(gè)布置在空間預(yù)知位置上的分立的光纖傳感器采用串聯(lián)或其他網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式連接起來(lái),利用時(shí)分復(fù)用、頻分復(fù)用、波分復(fù)用等技術(shù)共用一個(gè)或多個(gè)信息傳輸通道所構(gòu)成的分布式的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它可以較精確地同時(shí)或分時(shí)得到某一或某些空間點(diǎn)上不同的被測(cè)量的分布信息,但它只能得到預(yù)知離散空間位置上的傳感信息,仍存在傳感“盲區(qū),且在一般情況下其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、成本較高。光纖上的任意一段既是敏感單元又是其他敏感單元的信息傳輸通道,因而可獲得被測(cè)量的沿此光纖空間和時(shí)間變化的分布信息。它消除了傳統(tǒng)傳感器存在的傳感“盲區(qū),從根本上突破了傳

15、統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量限制。是真正意義上的分布式光纖傳感器,大大降低了造價(jià),可以獲得較高的性能價(jià)格比,因此在監(jiān)測(cè)中被越來(lái)越廣泛使用。反射法是利用光在光纖傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的后向散射效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量的方法;波長(zhǎng)掃描法是利用保偏光纖在外部擾動(dòng)作用時(shí)發(fā)生模式耦合效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量的方法;干涉法是利用干涉裝置對(duì)干涉光路中光波的相位進(jìn)行解調(diào)從而得到被測(cè)量信息的方法。光頻域反射法相對(duì)于光時(shí)域反射法研究較晚,應(yīng)用范圍也不及光時(shí)域反射法廣。波長(zhǎng)掃描法以自然光照射保偏光纖,利用FFT算法來(lái)確定模式耦合系數(shù)的分布,該方法分辨力高,可達(dá)O.3cm,但測(cè)量范圍小,系統(tǒng)成本高,不利于實(shí)用化。干涉法也是目前研究比較廣泛的一種技術(shù)之一。在1976

16、年提出,是實(shí)現(xiàn)分布式光纖傳感的關(guān)鍵技術(shù)。OTDR最初用于評(píng)價(jià)光學(xué)通信領(lǐng)域中光纖、光纜和耦合器的性能,是用于檢驗(yàn)光纖損耗特性、光纖故障的手段。其工作機(jī)理是脈沖激光器向被測(cè)光纖發(fā)射光脈沖,該光脈沖通過(guò)光纖時(shí)由于光纖存在折射率的微觀不均勻性,以及光纖微觀特性的變化。有一部分光會(huì)偏離原來(lái)的傳播向空間散射,在光纖中形成后向散射光和前向散射光。其中,后向散射光向后傳播至光纖的始端,經(jīng)定向耦合器送至光電檢測(cè)系統(tǒng)。由于每一個(gè)向后傳播的散射光對(duì)應(yīng)光纖總線上的一個(gè)測(cè)點(diǎn),散射光的延時(shí)即反應(yīng)在光纖總線上的位置。由于從光纖返回的后向散射光有3種成分:（） 由光纖折射率的微小變化引起的瑞利 （） 散射，其頻率與入射光相同

17、； （）由光子與光聲子相互作用而引起的拉曼（）散 射，其頻率與入射光相差幾十： （） 由光子與光纖內(nèi)彈性聲波場(chǎng)低頻聲子相互作用而引起的布 里淵（）散射。 時(shí)域反射式分布光纖傳感系統(tǒng)按光的載體可分為三種形式： 基于拉曼散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)、基于瑞利散射的分布式 光纖傳感系統(tǒng)和基于布里淵散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)。 當(dāng)前，前二種形式的研究和應(yīng)用較多，后一種形式是國(guó)際上近 年來(lái)才研發(fā)出來(lái)的一項(xiàng)尖端技術(shù)，國(guó)內(nèi)研究才剛剛起步。 由于后一種形式可用來(lái)測(cè)量光纖沿線的應(yīng)變分布，可以預(yù)計(jì)， 不久在這方面將有所突破，并且前二種形式將發(fā)展成更多的應(yīng)用種 類，逐漸向傳感的各個(gè)領(lǐng)域滲透。 光纖網(wǎng)絡(luò)布置形式將更趨豐富多樣，更趨科學(xué)合理。 然而，系統(tǒng)