基于布里淵散射原理的分布式光纖傳感器

1、分布式光纖傳感器 BOTDR篇 石強(qiáng)2010.12.09目錄目錄一、分布式光纖傳感器一、分布式光纖傳感器二、二、BOTDRBOTDR基本理論分析基本理論分析三、三、BOTDRBOTDR系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)四、四、BOTDRBOTDR性能分析性能分析五、布里淵分布式傳感器發(fā)展方向五、布里淵分布式傳感器發(fā)展方向一、分布式光纖傳感器 分布式光纖傳感器基本原理應(yīng)用方向主要分類(lèi)1.1 分布式光纖傳感器基本原理從光源發(fā)出的光經(jīng)耦合器注入光纖，由光纖傳輸而通過(guò)敏感元件，光在通過(guò)敏感元件時(shí)，因敏感元件是暴露在被測(cè)對(duì)象(如溫度、壓力、磁場(chǎng)等)之中且對(duì)被測(cè)對(duì)象極其敏感，使光在這里受到被測(cè)對(duì)象的調(diào)制，如光的強(qiáng)度、偏振面

2、、頻率和相位等；然后，調(diào)制光由耦合器進(jìn)入光纖，再經(jīng)光纖傳輸?shù)叫畔⑻幚砥魃?，?jīng)光電檢測(cè)和信號(hào)處理而得到被測(cè)對(duì)象的信息圖1.1 光纖傳感器原理示意圖1.2 分布式光纖傳感器分類(lèi)注注: “: “” ” 表示不可以測(cè)量表示不可以測(cè)量; “; “”表示無(wú)此參數(shù)表示無(wú)此參數(shù); “ ; “ * *”表示表示仿真結(jié)果仿真結(jié)果基于不同原理的分布式光纖傳感器性能對(duì)比1.3 光纖傳感器應(yīng)用光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用研光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用研究主要有以下四大類(lèi)究主要有以下四大類(lèi)：1 1、光纖層析成像技術(shù)、光纖層析成像技術(shù)2 2、智能材料、智能材料3 3、光纖陀螺與慣導(dǎo)系統(tǒng)、光纖陀螺與慣導(dǎo)系統(tǒng)4 4、常規(guī)工業(yè)工程傳感器、常規(guī)工業(yè)工

3、程傳感器二、二、BOTDRBOTDR性能分析性能分析基本原理基本原理 布里淵散射是光在不均勻的介質(zhì)中傳播時(shí)發(fā)生的一種散射現(xiàn)象，它布里淵散射是光在不均勻的介質(zhì)中傳播時(shí)發(fā)生的一種散射現(xiàn)象，它的的頻率頻率和和強(qiáng)度強(qiáng)度相對(duì)于入射光均會(huì)發(fā)生變化。布里淵頻移和強(qiáng)度與光纖材料中相對(duì)于入射光均會(huì)發(fā)生變化。布里淵頻移和強(qiáng)度與光纖材料中的聲速有關(guān)，而聲速受到光纖材料的熱光特性和彈光特性的影響，所以光纖的聲速有關(guān)，而聲速受到光纖材料的熱光特性和彈光特性的影響，所以光纖中的溫度和應(yīng)變的變化都會(huì)引起布里淵頻移和強(qiáng)度的變化。中的溫度和應(yīng)變的變化都會(huì)引起布里淵頻移和強(qiáng)度的變化。 9 光通過(guò)光纖時(shí)光通過(guò)光纖時(shí), ,光子和光纖

4、中自發(fā)熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的聲子產(chǎn)生非彈光子和光纖中自發(fā)熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的聲子產(chǎn)生非彈性碰撞性碰撞, ,發(fā)生自發(fā)布里淵散射發(fā)生自發(fā)布里淵散射. . 散射光的頻率相對(duì)入射光的頻率發(fā)生變化散射光的頻率相對(duì)入射光的頻率發(fā)生變化, , 變化的大小與散變化的大小與散射角和光纖的材料特性有關(guān)（折射率、楊氏模量、泊松比、密度）射角和光纖的材料特性有關(guān)（折射率、楊氏模量、泊松比、密度）. . 以上特性主要受溫度以上特性主要受溫度T T和應(yīng)變和應(yīng)變的影響。通過(guò)測(cè)定脈沖光的后的影響。通過(guò)測(cè)定脈沖光的后向布里淵散射光的頻移就可實(shí)現(xiàn)分布式溫度、應(yīng)變測(cè)量向布里淵散射光的頻移就可實(shí)現(xiàn)分布式溫度、應(yīng)變測(cè)量2.1 布里淵頻移與溫度和應(yīng)變的關(guān)

5、系式中為斯托克斯光頻率，c為真空中光速，為光纖中的聲速，為散射角式中E為楊氏模量，為泊松比，為光纖纖芯密度2.1.1 布里淵頻移與溫度和應(yīng)變的關(guān)系2.1.2 布里淵頻移與溫度和應(yīng)變的關(guān)系由上式可知布里淵頻移與溫度呈線性關(guān)系，溫度每變化1 ，布里淵頻移變化約1.2MHz由上式可知布里淵頻移與應(yīng)變呈線性關(guān)系，應(yīng)變每變化10-3所引起的布里淵頻移變化 約為50MHz。當(dāng)應(yīng)變?yōu)?，溫度為20，泵浦光波長(zhǎng)為1550nm時(shí)，普通單模石英光纖1.46， 5890m/s，布里淵頻移為11.2GHz。2.2布里淵強(qiáng)度與溫度和應(yīng)變的關(guān)系P0為入射脈沖光功率，s為布里淵散射背向捕捉系數(shù)，為布里淵散射損耗系數(shù)，W為脈

6、沖寬度， 為光線中速度。為真空中光波長(zhǎng)，n為纖芯折射率，為光纖有效面積。K為波爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，p12為光線彈光系數(shù)， 為光纖材料密度，VA為光纖中聲波縱模聲速。=9.510-11m2， p12=0.27，k=1.38 10-23J/K計(jì)算可得：布里淵強(qiáng)度變化的溫度系數(shù) 約為0.34%/K 計(jì)算可得：布里淵強(qiáng)度變化的應(yīng)變系數(shù) 約為-0.982 10-4 %/ 2.2.1 布里淵強(qiáng)度與溫度和應(yīng)變的關(guān)系142.3 溫度和應(yīng)變的分布式同時(shí)測(cè)量在BOTDR系統(tǒng)中，通常是利用布里淵頻移來(lái)確定溫度或應(yīng)變，一般由布里淵頻移確定應(yīng)變時(shí)假設(shè)溫度保持不變，而由它測(cè)定溫度時(shí)假設(shè)應(yīng)變不變。但在實(shí)際應(yīng)用中，往往

7、是溫度和應(yīng)變同時(shí)變化，由于布里淵頻移和強(qiáng)度隨它們同時(shí)變化，這就出現(xiàn)了傳感光纖布里淵散射譜參數(shù)對(duì)溫度和應(yīng)變交叉敏感的問(wèn)題。研究發(fā)現(xiàn)布里淵頻移隨光纖的溫度和應(yīng)變近似線性變化，布里淵強(qiáng)度隨溫度的上升而近似線性增加，隨應(yīng)變?cè)黾佣凭€性下降?？刹捎萌缦卤磉_(dá)式來(lái)說(shuō)明：、 PB0分別為參考溫度、應(yīng)變下的布里淵頻移和強(qiáng)度； T和 分別為溫度和應(yīng)變的變化量；Cvt、 Cv 、 CPT、 CP 分別為布里淵頻移、強(qiáng)度的溫度和應(yīng)變系數(shù)。這些系數(shù)可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。三、三、基于LPR的微波外差檢測(cè)BOTDRBOTDR系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)LPR的微波外差檢測(cè)BOTDR系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)信號(hào)采集與信號(hào)采集與處理子系統(tǒng)處理子系統(tǒng)

8、光發(fā)射子系光發(fā)射子系統(tǒng)統(tǒng)光脈沖調(diào)制光脈沖調(diào)制子系統(tǒng)子系統(tǒng)布里淵外差布里淵外差接收子系統(tǒng)接收子系統(tǒng)下變頻器子下變頻器子系統(tǒng)系統(tǒng)3.1 光發(fā)射子系統(tǒng)發(fā)射子系統(tǒng)發(fā)射子系統(tǒng)窄譜光源窄譜光源中心波長(zhǎng)中心波長(zhǎng)1550nm1550nm線寬線寬1MHz1MHz 光脈沖參光脈沖參數(shù)設(shè)計(jì)數(shù)設(shè)計(jì) 光脈沖寬光脈沖寬度度10ns10ns光脈沖峰光脈沖峰值功率值功率光脈沖重光脈沖重復(fù)頻率復(fù)頻率f=c/2Lf=c/2L* *n n寬譜光源寬譜光源中心波長(zhǎng)中心波長(zhǎng)1550nm1550nm光脈沖重光脈沖重復(fù)頻率復(fù)頻率f=c/2Lf=c/2L* *n n3.2 光脈沖調(diào)制子系統(tǒng)散射點(diǎn)位置：Z=ct/2n光源調(diào)制間接調(diào)制1550n

9、m電光調(diào)制器EOM聲光調(diào)制器AOM直接調(diào)制1310nm光源調(diào)制方式3.3 布里淵外差接收子系統(tǒng)3.4 下變頻器子系統(tǒng)下變頻器子系統(tǒng) 3.5 信號(hào)采集與處理子系統(tǒng)信號(hào)采集與處理子系統(tǒng)利用虛擬儀器軟件平臺(tái)LabVIEW實(shí)現(xiàn)布里淵頻譜信號(hào)采集和處理。PCI5112數(shù)據(jù)采集卡32位PCI總線結(jié)構(gòu)， 2個(gè)單端同步輸入通道，主要性能指標(biāo)有：采樣頻率100 MSPs、帶寬lOO MHz、8位量化精度、板存16 MHz、阻抗1 M或50 (可由軟件選擇)。極性模擬量輸入范圍為25 mV到5 V，步長(zhǎng)為10，采集卡信號(hào)分辨率約為O.195 mV。四、四、BOTDRBOTDR性能分析性能分析1、信噪比：SNR=1

10、0 K為光電檢測(cè)器的響應(yīng)度，PS為經(jīng)光放大器EDFA放大后的布里淵散射信號(hào)的功率，q為電荷電量， 為接收機(jī)帶寬。2、溫度應(yīng)變測(cè)量精度： T、分別表示溫度和應(yīng)變測(cè)量精度，CvT、Cv分別表示布里淵頻移溫度和應(yīng)變系數(shù)。3、空間分辨率z： 1）光脈沖寬度和聲子壽命 2）光探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間 3）A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間4、測(cè)量時(shí)間在BOTDR系統(tǒng)中，為避免后向布里淵散射信號(hào)的兩次采樣相混，要求兩次采樣脈沖信號(hào)時(shí)間間隔必須大于t=1/f=2L/v，L為傳感光纖總長(zhǎng)。對(duì)于測(cè)量布里淵頻移的方式，需要多次測(cè)量才能完成一次布里淵頻譜的掃描。設(shè)布里淵譜的譜寬為 實(shí)現(xiàn)掃頻的帶通濾波器帶寬為B，則完成一次布里淵譜的掃描需要發(fā)射

11、B個(gè)光脈沖，為達(dá)到規(guī)定的信噪比所需疊加平均次數(shù)為N，則測(cè)量時(shí)間為5、測(cè)量精度與空間分辨率的關(guān)系 減小探測(cè)脈沖的寬度可提高空間分辨率。但信號(hào)光功率會(huì)因探測(cè)光脈沖寬度變窄而相應(yīng)地減小，這會(huì)增大測(cè)量誤差，不利于有用信號(hào)的探測(cè)。 當(dāng)脈沖寬度小于聲子壽命(如小于10 ns)后，布里淵散射譜會(huì)隨之展寬，峰值降低。所以?xún)H以減小探測(cè)脈沖寬度來(lái)提高系統(tǒng)空間分辨率，其改善是有限的。 由此測(cè)量精度與空間分辨率是相互制約的。五、布里淵分布式傳感器發(fā)展方向今后的研究重點(diǎn)將主要放在以下幾個(gè)方面: 實(shí)現(xiàn)單根光纖上多個(gè)物理參數(shù)(溫度和應(yīng)變)或化學(xué)參數(shù)的同時(shí)測(cè)量; 提高信號(hào)接收和處理系統(tǒng)的檢測(cè)能力,提高系統(tǒng)的空間分辨力和測(cè)量不確定度; 提高測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量范圍,減少測(cè)量時(shí)間; 新的傳感機(jī)理的研究.下一步方向1、2001年CCLee等人發(fā)現(xiàn)在大有效面積光纖(LEAF)布里淵譜的多個(gè)峰中每個(gè)峰值頻率的溫度和應(yīng)變系數(shù)不同，并通過(guò)同時(shí)測(cè)量主峰附近兩峰值頻率的方法，實(shí)現(xiàn)了溫度和應(yīng)變的同時(shí)測(cè)量。近期南京大學(xué)董玉明等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明LEAF布里淵譜的峰1和峰3的峰值功率的差值隨應(yīng)變線性增加，而與溫度無(wú)關(guān)；三個(gè)峰的布里淵頻移都隨溫度和應(yīng)變的增加而線性增加，且峰2的布里