分布式光纖傳感器

1、分布式光纖傳感器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、振動等信息。光纖周界安防系統(tǒng)主要基于分布式光纖振動傳感器。將光纖固定于需要傳感的圍欄上，當(dāng)有外界入侵時，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，這又包括時域和頻域分析，本報(bào)告主要討論時域散射類傳感。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OTDR技術(shù)散射類光纖傳感主要運(yùn)用OTDR技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2、，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；：時延。2cdnOTDR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。2cTzn 圖2 空間分辨率示意圖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（-OTDR）；相干OTDR（COTDR）；偏振OTDR（POTDR）。普通OTDR用于光纖測試普通的OTDR

3、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3 OTDR用于光纖測試相位敏感OTDR（-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-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。-OTDR擾動定位-OTDR靈敏度高并且可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)擾動定位，但是由于對激光器線寬要求很高(kHz)，導(dǎo)致成本很高。圖4 -OTDR擾動定位COTDR相干檢測擾動定位通過相干檢測技術(shù)可以大幅度提高-OTDR的信噪比，通過

4、相干技術(shù)實(shí)現(xiàn)-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OTDRCOTDR實(shí)例英國OptaSense公司的分布式光纖聲學(xué)傳感器(DAS)。Interrogator UnitSend a conditioned pulse of light into the fibre to create virtual microphones. Processing UnitUser InterfaceThe acoustic data is received by here which monitors each microphone channel in real time f

5、or the presence of specific acoustic events.Presents the real time event data to the operator in a clear and intuitive manner where classified alerts are shown on a map display with location coordinates.POTDR擾動定位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6 P-OTDR的兩種基本結(jié)構(gòu)POTDR的數(shù)據(jù)處理（1）基于POTDR的分布式傳感有兩

6、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擾動，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7 POTDR數(shù)據(jù)處理POTDR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POTDR的數(shù)據(jù)處理（3）假設(shè)每0

7、.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)于時間的曲線，如果此處出現(xiàn)擾動，在z1處的數(shù)據(jù)會在某一固定常量左右變化。圖9 POTDR數(shù)據(jù)譜分析POTDR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€入侵信號之后的所有擾動都被第一個擾動湮沒了，如圖7所示。利用譜分析的方法，第一個擾動之前，沒有擾動事件的頻譜成分，第一個擾動之后第二個擾動之前，數(shù)據(jù)中出現(xiàn)第一個擾動的頻譜成分，第二個擾動之后的數(shù)據(jù)出現(xiàn)第一個和第二個事件的頻譜成分，三個擾動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。拉曼散射分布式傳感器（ROT

8、DR）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?；诶⑸涞姆植际絺鞲衅髦饕獞?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。ROTDR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：0ehcaskTsIaI01lnlnasshcTkIaIh: 普朗克常數(shù)c:

9、 真空光速v0: 入射光頻率k: 波爾茲曼常數(shù)T: 絕對溫度ROTDR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10 ROTDR溫度傳感結(jié)構(gòu)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BOTDR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12 BOTDR應(yīng)變測量原理圖BOTDR結(jié)構(gòu)圖布里淵光時域反射技術(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13 BO