分布式光纖泄露檢測總結(jié)解讀

1、目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark0 o Current Document 第 1 章 緒論 1 HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 引言1. HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 管道泄漏檢測方法 2. HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 管道檢漏方法評估 3. HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 管道泄漏檢測技術(shù)發(fā)展趨勢 4. HYPERLINK l bookmark10

2、 o Current Document 第 2 章 分布式光纖溫度傳感的基本理論 5 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 光纖傳感技術(shù)簡介及分類 5. HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 分布式光纖傳感技術(shù) 6. HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 典型的分布式光纖傳感器 7. HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 第 3 章 分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)及技術(shù) 15 HYPERLINK l bookmark20

3、 o Current Document 3.1系統(tǒng)組成 1.5. HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 3.2激光脈沖光源 1.6. HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 3.3光電探測器 1.7. HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 3.4散射光的分離 1.8. HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 3.5系統(tǒng)定標 1.9. HYPERLINK l bookmark30 o Current Document

4、第 4 章 系統(tǒng)的信號處理技術(shù) 21分布式光纖生產(chǎn)廠家（公司）附表 21 本文內(nèi)容主要整理參考于其他文獻第 1 章 緒論引言目前，全世界大型輸油管總長超過 200 萬公里，并且以每年 4-5 萬公里的速 度遞增。由于管道輸送在運送氣體、 液體、漿體等散裝物品方面所具有的獨特優(yōu) 勢，管道工業(yè)在國民經(jīng)濟中占有重要的位置。 但是隨著管線的增多、 管齡的增長， 由于施工缺陷和腐蝕等問題和人為破壞的存在， 管道事故頻頻發(fā)生， 給人們的生 命、財產(chǎn)和生存環(huán)境造成了巨大的威脅。目前國內(nèi)外油氣管道泄漏實時監(jiān)測技術(shù)主要通過檢測管道輸送壓力、流量、 溫度等參數(shù)的變化或者檢測泄漏噪聲來判斷是否發(fā)生泄漏， 如質(zhì)量平衡

5、法、 壓力 波分析法、實時模型法、統(tǒng)計檢漏法等。由于該類測試方法受到流體特性、輸送 工藝以及測試儀器的靈敏度和測試精度等因素的限制， 該類技術(shù)可以檢測到最小 泄漏量為管道輸送總流量的 1，定位精度為管道總長度 1。一般來說，傳統(tǒng) 的溫度測量中使用的是點式測量，各處分布的大量傳感器測量并匯聚測量數(shù)據(jù)。 根據(jù)測量物理性質(zhì)的不同， 有各種測量技術(shù)。 根據(jù)溫度范圍和應(yīng)用性質(zhì)等采用不 同的測量方法。 所有這些方法有一個共同的限制， 它們只能測量一點的溫度。 在 一些應(yīng)用中， 需要在一個大的范圍收集溫度信息， 這就需要大量的傳感器， 從而 對布線、安裝等帶來困難。分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)能很好的解決這一問題

6、， 與傳統(tǒng)傳感器相比， 分布 式光纖溫度傳感器具有諸多優(yōu)點 : 集傳感與傳輸于一體，可實現(xiàn)遠距離測量與監(jiān) 控；一次測定就可以獲取整個光纖區(qū)域的一維分布圖。 能在一條長達數(shù)千米的傳 感光纖環(huán)路上獲得幾千條信息， 因此單位信息成本顯著降低。 測量范圍寬， 具有 高空間分辨率和高精度； 在具有強電磁干擾或易燃易爆以及其它傳感器無法接近 的惡劣環(huán)境下， 分布式光纖溫度傳感器具有無可比擬的優(yōu)點。 光纖傳感器作為一 種測量新技術(shù)，利用光波導原理，具有損耗低、頻帶寬、線徑細、重量輕、可撓 性好、抗電磁干擾、耐化學腐蝕、原料豐富、制造過程能耗少、節(jié)約大量有色金 屬等突出優(yōu)點，近年來逐漸擴大應(yīng)用范圍和應(yīng)用領(lǐng)域。

7、管道泄漏檢測方法管道在國民經(jīng)濟中的地位越重要，管道的安全運行越受重視，作為管道運行 監(jiān)控重要組成部分的泄漏檢測技術(shù)一直在不斷發(fā)展中。 目前已有多種管道泄漏檢 測方法在檢測方式和技術(shù)手段方面差別較大， 從最簡單的人工分段沿管道巡線到 復雜的軟硬件相結(jié)合的實時模型方法， 從陸地檢測發(fā)展到海底檢測， 甚至利用飛 機或衛(wèi)星遙感檢測大范圍管網(wǎng)等。 對管道泄漏檢測技術(shù)還沒有統(tǒng)一的系統(tǒng)分類方 法，這里從檢測參數(shù)的角度將各種檢測方法分為直接檢漏法和間接檢漏法。直接檢漏法直接檢漏法是利用安裝在管道外邊的檢測器， 直接檢測漏到管外的輸送液體 或其揮發(fā)氣體， 從而達到檢漏目的。 直接檢漏法包括主要有檢漏電纜法、 導

8、電高 聚合物檢漏法、傳感光纜法、紅外線法等。檢漏電纜法 該方法是沿管線埋設(shè)附有易被碳氫化合物溶解的絕緣材料 的兩芯電纜， 或非透水性但具有透油性材料制成的同軸電纜。 優(yōu)點是不需要在管 線上配備任何地面檢測設(shè)備，就能快速準確地檢測出管道微小滲漏及其位置。導電高聚合物檢漏法 探測電纜由兩根常規(guī)絕緣導線和兩根探測導線 組成，外包特種導電高聚物。 這種方法利用探測導線檢測電纜中的水蒸氣判斷管 道絕緣層的浸水點和泄漏點，適用十絕緣管道的檢漏。油檢測元件法 這種方法是沿管道外層設(shè)置一種導電性粉體元件， 當泄 漏的油接觸到該元件時， 其電阻會急劇變化， 在管道端部， 通過測量處理電阻變 化參數(shù)，可以確定泄漏

9、位置。油溶性壓力管法 將充注壓縮空氣的油溶性軟管纏在管道外圍， 當有溶 油時，軟管溶解產(chǎn)生漏洞斷裂，壓縮空氣外泄，管內(nèi)壓力下降，由此即可測知泄 漏。這種方法只有一次性使用，發(fā)現(xiàn)泄漏后，該處軟管即損壞，更換非常困難。傳感光纜法 沿管線鋪設(shè)一條傳感光纜，拾取管道周圍的異常壓力、聲 音和振動信號， 發(fā)現(xiàn)和定位管道泄漏和可能引起管道損傷的第 3方責任事件；或 者利用對原油和成品油等碳氫化合物敏感的傳感光纜來檢測和定位泄漏。紅外線法 利用機載或星載精密紅外攝像裝置，記錄管道周圍地熱輻射 效應(yīng)或管道上方空氣光譜，利用光譜分析檢測泄漏及其位置。間接檢漏法間接檢漏法是指檢測因泄漏對管道運行參數(shù)造成的影響， 如

10、流體壓力、 流量 的變化來判斷是否發(fā)生泄漏。流量平衡法 根據(jù)流出和流人管道的介質(zhì)質(zhì)量 / 體積之間的差值判斷管 道泄漏。優(yōu)點是可靠性高，可以檢測小流量泄漏；缺點是不能對泄漏做出定位， 且實時性差。負壓波檢漏法 管道泄漏會產(chǎn)生沿管道分別向上、下游傳播的瞬態(tài)負壓 波。在管道兩端分別安裝壓力傳感器， 根據(jù)傳感器捕捉的負壓波判斷泄漏， 并根 據(jù)負壓波到達管道兩端的時間差定位泄漏。壓力/ 流量梯度法 發(fā)生泄漏時， 管道內(nèi)的壓力分布發(fā)生變化， 漏點前的 流量增大，壓力梯度變陡;漏點后的流量減小， 梯度變平;管道內(nèi)壓力梯度呈折線 狀下降；按照管道入口和出口的壓力梯度作線，交匯點就是泄漏的位置。管內(nèi)智能爬行機

11、法 爬行機已經(jīng)廣泛使用在管道工業(yè)中。配置各種傳感 器的智能爬行機檢測系統(tǒng)可以用來周期性檢測管道因腐蝕或其它原因造成的損 傷，評估管道的完整性，發(fā)現(xiàn)泄漏和預(yù)報泄漏隱患。統(tǒng)計檢漏法 泄漏導致管道內(nèi)壓力和流速之間的關(guān)系發(fā)生變化，根據(jù)管 道兩端的流速和壓力， 連續(xù)計算發(fā)生泄漏的統(tǒng)計概率。 根據(jù)管道兩端流速和壓力 及統(tǒng)計平均值估計泄漏速度，使用最小二乘法對無分支管道泄漏進行定位。聲學方法 沿管道按照一定間隔離散地安裝大量傳感器，借助對泄漏孔 兩側(cè)傳感器采集的聲音信號進行相關(guān)處理來檢測與定位泄漏。 隨著光纖傳感技術(shù) 的發(fā)展，出現(xiàn)了連續(xù)型分布式光纖傳感器進行泄漏聲音檢測和定位。實時模型法 建立管道實時模型，

12、在一定邊界條件下求解管道內(nèi)流場， 然后將計算值與管道兩端的實測值進行比較。 根據(jù)實測值與計算值的偏差判斷泄 漏，并根據(jù)管道內(nèi)壓力梯度變化確定泄漏點位置。管道檢漏方法評估管道測漏的方法比較多， 各種方法都有自己的優(yōu)點及使用范圍， 選擇時要根 據(jù)其實際情況選用不同的檢測方法。 可將上述泄漏診斷系統(tǒng)的特征細分為以下指 標進行綜合考察，檢測方法的比較如表 1-1 所示。各種方法的性能和管道的運行狀況、 設(shè)備及儀器的精度等很多實際因素都是 密切相關(guān)的。 可以根據(jù)不同管道泄漏檢測的實際情況， 選擇一個比較合適的泄漏 檢測系統(tǒng)，或者適當選擇其中的幾種檢測方法聯(lián)合使用， 有的作為主要檢測手段， 有的作為輔助檢

13、測手段，互相彌補不足，則可以取得良好的檢測效果。管道泄漏檢測技術(shù)發(fā)展趨勢隨著管道工業(yè)的不斷發(fā)展， 管道泄漏檢測技術(shù)也將得到不斷提高。 通過研制 和開發(fā)新型高效的管道泄漏檢測系統(tǒng)可以有效地提高泄漏檢測及定位的靈敏度、 精確度和可靠性。應(yīng)用以軟件方法為主， 硬件方法為輔的軟硬件結(jié)合方法進行輸油管道泄漏檢 測。近年來，計算機技術(shù)、控制理論、信號處理、模式識別、人工智能等學科的 發(fā)展促進了以軟件為主的輸油管線實時泄漏檢測技術(shù)的發(fā)展， 這種方法能實現(xiàn)實 時在線監(jiān)測，及時給出報警信號， 因此這方面的檢測技術(shù)仍將是研究的熱點和趨 勢，而且作為非線性時變參數(shù)的管道系統(tǒng)， 自適應(yīng)的思想在檢測和定位算法中也 將發(fā)

14、揮越來越重要的作用。 但是基于硬件的方法有很高的定位精度和較低的誤報 警率，因此硬件方法和軟件方法互補，可以滿足管道泄漏檢測系統(tǒng)的要求。泄漏檢測系統(tǒng)與 SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition) 系統(tǒng)， 即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)的結(jié)合是管道泄漏檢測的發(fā)展方向。 SCADA系統(tǒng)不僅 能為泄漏檢測提供數(shù)據(jù)源， 而且能對管道的運行狀況進行監(jiān)控。 由于單一的檢漏 系統(tǒng)并不經(jīng)濟， 因此它將集成到 SCADA系統(tǒng)中，充分利用 SCADA系統(tǒng)的功能， 并 成為 SCADA系統(tǒng)中不可缺少的一部分。光纖傳感器是近年來發(fā)展的一個熱點， 它在實現(xiàn)物理量測量的同時可

15、以實現(xiàn) 信號的傳輸， 在解決信號衰減和抗干擾方面有著獨特的優(yōu)越性， 并且具有傳統(tǒng)傳 感器所無法比擬的優(yōu)勢。 此外，隨著各種分布式光纖傳感器的發(fā)展， 未來可以實 現(xiàn)利用一根或幾根光纖對油氣管線內(nèi)介質(zhì)的溫度、 壓力、 流量、管壁應(yīng)力以及管 道周圍環(huán)境的振動進行分布式在線測量，這將在管道監(jiān)控系統(tǒng)中極具應(yīng)用潛力。 因此，將分布式的光纖傳感器應(yīng)用于管道檢測有著良好的前景。充分利用分布式光纖傳感的優(yōu)勢， 根據(jù)我國原油需要加熱傳輸?shù)膶嶋H， 建立 基于分布式光纖溫度傳感的管道泄漏檢測系統(tǒng)， 以達到及時發(fā)現(xiàn)泄漏， 準確地確 定其位置的目的， 對于減少由于原油泄漏產(chǎn)生的各種損失很有意義。 并可推廣到 天然氣管道、

16、 城市煤氣管網(wǎng)的管理以及大型化工廠產(chǎn)品輸送的應(yīng)用中， 并且可應(yīng) 用到變電站和開關(guān)柜的監(jiān)測， 以及火災(zāi)探測與電纜溝槽的監(jiān)測等需要分布式測溫 和報警的領(lǐng)域，對于環(huán)境保護、節(jié)約能源有積極的作用。第 2 章 分布式光纖溫度傳感的基本理論光纖傳感技術(shù)簡介及分類光纖傳感器用光作為敏感信息的載體， 用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)。 同 時具有光纖及光學測量的特點 :電絕緣性能好。抗電磁干擾能力強。5非侵入性。高靈敏度。容易實現(xiàn)對被測信號的遠距離監(jiān)控。光纖傳感器可測量位移、速度、加速度、液 位、應(yīng)變、壓力、流量、振動、 溫度、電流 、電壓、磁場等物理量。光纖傳感器的分類 根據(jù)光纖在傳感器中的作用可分為功能型、非

17、功能型和拾光型三大類。 根據(jù)光受被測對象的調(diào)制形式可分為強度調(diào)制型、 相位調(diào)制型、偏振調(diào)制型、 頻率調(diào)制型四大類。根據(jù)光是否發(fā)生干涉可分為干涉型和非干涉型。 根據(jù)是否能夠隨距離的增加連續(xù)地監(jiān)測被測量可分為分布式和點式。分布式光纖傳感技術(shù)利用光波在光纖中傳輸?shù)奶匦裕?可沿光纖長度 方向連續(xù)的傳感被測量 （ 如溫 度、壓力、應(yīng)力 和應(yīng)變等 ） 光纖既是傳感介質(zhì)，又是被測量的傳輸介質(zhì)。優(yōu)點:可在很大的空間范圍內(nèi)連續(xù)的進行傳感，是其突出優(yōu)點。傳感和傳光為同一根光纖，傳感部分結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。與點式傳感器相比，單位長度內(nèi)信息獲取成本大大降低，性價比高。分布式光纖傳感器的特征參量空間分辨率 指分布式光纖

18、傳感器對沿光纖長度分布的被測量進行測量 時所能分辨的小空間距離。時間分辨率 指分布式光纖傳感器對被測量監(jiān)測時， 達到被測量的分辨率 所需的時間。被測量分辨率 指分布式光纖傳感器對被測量能正確測量的程度。典型的分布式光纖傳感器相位調(diào)制型傳感器Mach-Zehnder 干涉式傳感器Sagnac干涉式傳感器散射型傳感器布里淵散射型光纖傳感器拉曼散射型光纖傳感器相位調(diào)制型光纖傳感器 相位調(diào)制當光纖受到機械應(yīng)力作用時， 光纖的長度、 芯徑、纖芯折射率都將 發(fā)生變化，這些變化將導致光波的相位變化。= 2 ? ?L= ?L=2 ? / 是在光纖中的傳播常數(shù) ( 由于相位變化很難直接檢測，所以 實際中通常使光

19、發(fā)生干涉， 將相位的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈴姷淖兓M行檢測， 之后再解 調(diào)獲得相位變化 ) 。光的干涉光的干涉條件 (圖 1): 相干光源 S 1、 S 2 發(fā)出的光波在空間 P點相遇，兩 列波在 P 點的干涉本質(zhì)上是兩個同方向、同頻率的電磁簡諧振動的疊加。圖1圖2相干條件: 頻率相同振動方向相同相位差恒定M-Z 干涉型光纖傳感器用作分布式振動傳感= = 如圖 2 隨機干擾 干涉臂相位的隨機變化 干涉儀輸出功率的隨機變化以 M-Z 干涉儀作為周界監(jiān)控系統(tǒng)時， 入侵事件出現(xiàn)將導致接收信號功率的變 化。M-Z干涉型光纖傳感器的信號處理信號處理的目標 -1) 。對干擾事件進行定性分析 , 通過解調(diào)獲得干擾臂的

20、相位 變化，進而根據(jù)相位變化情況分析干擾產(chǎn)生原因。信號處理的目標 -2) 。對干擾事件進行定位 ( 適用于周界監(jiān)控及管道監(jiān)控等 應(yīng)用)。光纖 SAGNAC干涉型分布式傳感器激光器發(fā)出的光經(jīng)耦合器分為兩束分別耦合進由同一光纖構(gòu)成的光纖環(huán)中， 沿相反方向傳輸，并于耦合器處再次發(fā)生干涉。當傳感光纖沒有受到干擾時， 干涉現(xiàn)象趨于穩(wěn)定； 受到外界干擾時， 正反向 兩光束會產(chǎn)生不同的相移， 并于耦合器處發(fā)生干涉， 干涉信號的光強與干擾發(fā)生 位置具有一定關(guān)系光纖 SAGNAC干涉型分布式傳感器定位原理 當干擾源信號是正弦信號 （ 或形如正弦信號 ）時，接收信號的功率幅值為9零點頻率發(fā)生在 =0, ,?N干擾

21、源位臵 R1與第 N 個零頻之間的關(guān)系為OTDR- 背向瑞利散射光纖傳感器 散射型光纖傳感器分為以下幾類 : 利用背向瑞利散射 - OTDR 利用布里淵散射 -B-OTDR、 B-OTDA利用拉曼散射 -R-OTDR光纖中的背向散射光分析：布里淵散射和拉曼散射在散射前后有頻移，是非 彈性散射。光時域反射 (OTDR)技術(shù)光時域反射 (OTDR:Opitcal Time-Domain Reflectometry) 技術(shù)最初被用于 檢驗光纖線路的損耗特性以及故障分析。當光脈沖在光纖中傳輸?shù)臅r候，由于光纖本身的性質(zhì)、連接器、接頭、彎曲 或其他類似事件而產(chǎn)生散射、 反射，其中背向瑞利散射光和菲涅爾反射

22、光將返回 輸入端 (主要是瑞利散射光，瑞利散射是光波在光纖中傳輸時由于光纖纖芯折射 率在微觀上的起伏而引起的線性散射，是光纖的固有特性 ) 。光時域反射計將通過對返回光功率與返回時間的關(guān)系獲得光纖線路沿線的損 耗情況。散射型分布式傳感技術(shù)對被測量的空間定位多基于光時域反射技術(shù)， 即 向光纖中注入一個脈沖，通過反射信號和入射脈沖之間的時間差來確定空間位10d 為事件點距離系統(tǒng)終端的距離， c 為真空光速， n 為光纖有效折射率d=c2n脈沖的重復頻率決定了可監(jiān)測的光纖長度，而脈沖的寬度 決定了空間定位精度 （10ns 寬度對應(yīng)空間分辨率 1m）。圖1圖22.3.4 BOTDR- 光時域布里淵散射

23、光纖傳感器布里淵散射產(chǎn)生機理這是入射光與聲波或傳播的壓力波相互作用的結(jié)果， 這個傳播的壓力波等效 于一個以一定速度移動的密度光柵。因此 布里淵散射可以看成是入射光在移動 光柵上的散射。多普勒效應(yīng)使散射光頻率不同于入射光。 （如圖 2）量子光學描述 :入射光波 （泵浦）與介質(zhì)內(nèi)彈性聲波場作用中，一泵浦光子湮 滅產(chǎn)生一聲學聲子和散射 （Stokes） 光子。散射光與泵浦波的傳播方向相反，與入射波的頻移 （ 在 1.55mm處） 約為:=11.1GHZ。分為自發(fā)布里淵散射和受激布里淵散射兩種BOTDR-傳- 感原理布里淵散射光頻移會隨著溫度和光纖應(yīng)變的上升而線性增加11() +()布里淵散射光功率會

24、隨溫度的上升而線性增加 , 隨應(yīng)變增加而線性下降 :（） + （） 通過測量布里淵散射光頻移和光功率， 就可以求得被測量點的溫度和應(yīng)力的 大小。BOTDR-布- 里淵頻移系數(shù)對于溫度的布里淵頻移系數(shù)是 1.22M/度（1310nm，） 1M/ 度（1550nm。） 對于應(yīng)力的布里淵頻移系數(shù)是 581M/%（1310nm，） 493M/%（1550nm。）BOTDR與 BOTDA區(qū)別BOTDR系統(tǒng)從一端輸入泵浦脈沖，在同一端檢測返回信號的中心波長和功 率。使用方便，但自發(fā)布里淵散射信號很微弱，檢測困難。在 BOTDA中，處于光纖兩端的 可調(diào)諧激光器分別將一脈沖光 （ 泵浦光 ） 與一 連續(xù)光 （

25、探測光 ） 注入傳感光纖。利用受激布里淵散射效應(yīng)，散射光強度更強。BOTDR 定位原理對一定頻譜范圍連續(xù)不斷的進行循環(huán)掃描， 獲得各個時間段上的光譜， 并將 時間與位置相對應(yīng)， 即可獲得沿光纖各位臵處的布里淵頻譜圖， 并獲得異常的布 里淵頻移量和散射光功率。BOTDR-優(yōu)- 缺點優(yōu)點:連續(xù)分布式測量溫度和應(yīng)變。高溫度和應(yīng)變分辨率?？臻g分辨率。12長傳感范圍 （超過 80 公里）。一根光纖既可用于傳感，也可用于通信。缺點:需要激光器的輸出穩(wěn)定、線寬窄，對光源和控制系統(tǒng)的要求很高；由于自發(fā)布里淵散射相當微弱 （ 比瑞利散射約小兩個數(shù)量級 ），檢測比較困 難，要求信號處理系統(tǒng)具有較高的信噪比；由于在

26、檢測過程中需進行大量的信號加法平均、頻率的掃描等處理, 因而實現(xiàn)一次完整的測量需較長的時間 , 實時性不夠好。檢測 30km 光纖沿線的應(yīng)變，空間分辨力可達 1m。應(yīng)變精度 : 20e（0.002%） 溫度精度 :1 取樣時間 :20s 至 5min（典型值:2 min） 。2.3.5 ROTDR- 光時域拉曼散射光纖傳感器拉曼散射產(chǎn)生機理 : 在任何分子介質(zhì)中， 光通過介質(zhì)時由于入射光與分子運動相互作用會引起的 頻率發(fā)生變化的散射，此過程為拉曼散射。量子力學描述 : 分子吸收頻率為 的光子，發(fā)射 - 的光子，同時分子從 低能態(tài)躍遷到高能態(tài) （ 對應(yīng)斯托克斯光 ） ；分子吸收頻率為 的光子，發(fā)

27、射 - 的 光子，同時分子從高能態(tài)躍遷到低能態(tài) （反斯托克斯光 ） 。ROTDR-傳感原理 拉曼散射由分子熱運動引起，所以拉曼散射光可以攜帶散射點的溫度信息。 反斯托克斯光的幅度強烈依賴于溫度， 而斯托克斯光則不是。 則通過測量斯 托克斯光與反斯托克斯光的功率比，可以探測到溫度的變化。由于自發(fā)拉曼散射光一般很弱，比自發(fā)布里淵散射光還弱10dB，所以必須采用高輸入功率， 且需對探測到的后向散射光信號取較長時間內(nèi)的平均值。 此方 法上世紀 80 年代就已被提出，并商用化?；谧园l(fā)拉曼散射的分布式光纖溫度傳感器原理13光纖中自發(fā)拉曼散射的反斯托克斯光與溫度緊密相關(guān)。 常溫下 (T=300K)其溫 敏

28、系數(shù)為 8/ 。 采用反斯托克斯與斯托克斯比值的分布式光纖溫度測量，其 結(jié)果消除了光源波動、 光纖彎曲等因素的影響， 只與沿光纖的溫度場有關(guān)， 因此 可長時間保證測溫精度。幾種散射式傳感技術(shù)的比較各種分布式光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用 第三我們主要講解一下拉曼散射光纖系統(tǒng)14第 3 章 分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)及技術(shù)分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)， 能在整個連續(xù)的光纖上， 以距離的連續(xù)函數(shù)形 式，測量出光纖上各點的溫度值。 由于實際應(yīng)用場合不同， 要求的技術(shù)指標也不 一樣，如有些需要長距離的傳感長度， 如輸油管線的泄漏檢測； 有些需要測溫精 度高，如水庫大壩的滲漏檢測； 有些需要空間分辨率要高， 如在電力系統(tǒng)的

29、溫度 檢測。所以，系統(tǒng)設(shè)計要充分考慮應(yīng)用要求，選擇合適的器件和工作參數(shù)。3.1 系統(tǒng)組成分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)由傳感光纖、 主機、溫度信號處理和顯示軟件等組成，如圖 3-1 所示。其中主機主要由以下幾個部分組成 :激光脈沖光源由帶尾纖的 InGaAsP高脈沖半導體激光器和驅(qū)動電路組成。散射光分離器件 由雙向耦合器和波分復用器系統(tǒng)組成。光電探測器 由帶尾纖、帶前置放大器的雪崩光電二極管 (APD)和主放 大器組成。恒溫裝置 用來解決溫度傳感器的定標，提供參考溫度。A/D 采集與信號處理單元對放大信號采集、 A/D 轉(zhuǎn)換、對信號進行調(diào) 理、累加平均、去噪等處理15軟件系統(tǒng) 完成系統(tǒng)的各種參數(shù)設(shè)置、

30、圖形顯示、報警、數(shù)據(jù)存儲功光纖鋪設(shè)位置將探測光纜沿著管道， 鋪設(shè)在管道下面 1Ocm深的土壤中，然后連接到控制室中的主機， 就能夠探測沿著整個管線的溫度， 進而探測管 道的泄漏，并能精確的定位。當某個位置溫度升高時，確定其發(fā)生泄漏。對于新管道，在管道鋪設(shè)過程中將光纜鋪在管道中軸線的下方， 如圖 3-2(a) 所示；對于已經(jīng)鋪好的管道， 在管道的一邊鋪設(shè)探測光纜， 其高度與管道底平齊， 如圖 3-2(b) 所示。3.2 激光脈沖光源由十拉曼散射信號非常微弱， 而且隨傳感光纖長度的增加， 信號損耗會加大。 為保證測量空間分辨率等技術(shù)指標， 光源部分要產(chǎn)生脈寬很窄的大功率光脈沖輸 入到傳感光纖中。在

31、光纖傳感應(yīng)用中，選擇激光器時主要考慮以下因素 : 價格、物理尺寸、激 光的工程溫度和激光材料的壽命等。 半導體激光器由于體積小、 價格低、 高效率 而獲得廣泛應(yīng)用。激光脈沖寬度分析根據(jù) OTDR的空間分辨率公式 , 泵浦光持續(xù)時間 (激光脈沖寬度 ) 決定了空間 分辨率指標 ( 其他如光電探測器響應(yīng)時間和 A/D轉(zhuǎn)換時間也影響空間分辨率 ) 。 所以，要縮小空間分辨率，就要使發(fā)射的激光脈沖要窄，如在普通多模光纖中，=2.0 108m s，要達到 lm 的空間分辨率， 則脈沖寬度應(yīng)滿足 t 10ns 。但為獲16 得長的測量距離， 就要發(fā)射大的激光功率。 所以， 要根據(jù)系統(tǒng)測量長度和空間分 辨率

32、指標要求來確定激光發(fā)射的脈沖寬度和功率大小。激光器波長分析 光在光纖中的傳輸存在損耗， 光纖拉曼散射信號隨著注入光波長的增加而變 弱。由于背向拉曼散射信號的信噪比和散射點的位置有關(guān)， 散射點離光源越遠信 噪比越小。在光纖各處被測量并返回到開始端的反斯托克斯信號光功率可以表示 為:Pa（s L ）= p0 a-s4 10- L式中，L 是測量點的距離， 一般取 L 為最大傳感距離時確定激光器波長； Pa（s L）為 從傳感光纖 L返回到光纖始端 （光檢測器處 ）的反斯托克斯光功率； 為光源始 端激光光源所發(fā)出的光功率； 為與光纖禍合，散射等相關(guān)的衰減系數(shù)； 是 反斯托克斯散射光波長?？煽吹?， 入

33、射光波長越短， 自發(fā)拉曼散射信號強度越大， 但相應(yīng)傳感光纖的 損耗也越大 （ 損耗與傳輸距離成正比 ） 。因此，測量點最佳波長與系統(tǒng)選用的傳感 光纖的損耗分布密切相關(guān)。 由于在光纖末端損耗最大， 選擇最佳工作波長的準則 是: 使傳感光纖尾端返回的反斯托克斯信號最強。所以，在工程設(shè)計中，一般取 L 為最大傳感距離時確定激光器波長。光電探測器把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栠@一過程由光電探測器和相應(yīng)的放大電路來完成。 由 于反斯托克斯和斯托克斯光非常微弱， 所以光電探測器的性能對分布式光纖傳感 系統(tǒng)的工作具有重要影響。雪崩光電二極管 APD是在高反向雪崩偏壓附近工作的具有內(nèi)部倍增放大作 用的光電轉(zhuǎn)換器件。 由

34、于雪崩光電二極管的內(nèi)部雪崩增益使得其光電轉(zhuǎn)換靈敏度 比一般的光電二極管高很多，在 0.4 m-1.1m光譜范圍內(nèi)的微弱信號檢測中， APD是優(yōu)選器件。雖然 APD具有較大的增益， 但其輸出仍然非常微弱， 需要進一步對信號進行 放大。分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)要求所用放大器為寬頻帶放大器， 而放大器不17 但不能提高信號的信噪比，在放大信號過程中還會引入噪聲。與 APD連接的第一級放大器稱為前置放大器， 它一般采用低噪聲放大器， 低 噪聲放大器比一般放大器有低得多的噪聲系數(shù)， 在系統(tǒng)中，這一級放大器噪聲性 能的優(yōu)劣通常會影響到整個系統(tǒng)的品質(zhì)。 所以，雖然不同系統(tǒng)對放大器的質(zhì)量指 標要求會各不相同，

35、但是對前置放大器進行周密的低噪聲設(shè)計是必須優(yōu)先考慮 的。此外，還需考慮放大器的增益、 頻率的特性、 動態(tài)范圍、信號源阻抗等要求。散射光的分離光纖的背向散射光中包含瑞利背向散射光， 反斯托克斯和斯托克斯背向散射 光及其他散射光。 光濾波的作用就是抑制無關(guān)的散射光， 取出攜帶溫度信息的反 斯托克斯散射光以及作為參考光的斯托克斯散射光。 常溫下， 光纖中背向散射光 非常微弱， 使信號的提取非常困難。 考慮到拉曼散射的特點和參考各種分波合波 技術(shù)的優(yōu)缺點，這里使用了 3 級級聯(lián)的 3 個波長的窄帶通構(gòu)成 1X3的 WDM型拉曼 散射用波分復用器用十背向散射光的分離。波分復用器結(jié)構(gòu)如圖 3-4 所示，入

36、射光由端口 1 入射，經(jīng)過端口 2 輸出，2 端口與傳感光纖相連。 由于光的光路可逆性， 由傳感光纖產(chǎn)生的背向散射光， 再 經(jīng)過端口 2，由濾光片濾出的斯托克斯和反斯托克斯光分別經(jīng)過端口 3, 4 輸出。單級介質(zhì)膜濾波器的結(jié)構(gòu)如圖 3-5 所示。多波長光復用 / 解復用器件采用級 聯(lián)型結(jié)構(gòu)，如圖 3-6 所示。18對解復用器而言，包含 共 N個波長的信號光由雙芯 毛細管的端口 a 輸入，光束被準直以后， 由于濾光片的選頻作用， 濾光片后的由 自聚焦透鏡與單芯毛細管耦合輸出。 而其它波長的信號 則經(jīng)濾光片反射后，濾光片前的由自聚焦透鏡與雙芯毛細管耦合，端口 c 輸出。 對復用器件而言，圖中的光路

37、方向則相反。系統(tǒng)定標光纖測溫的機理是依據(jù)背向拉曼散射溫度效應(yīng)，在分布式光纖測溫系統(tǒng)中， 使用反斯托克斯和斯托克斯光強之比對溫度進行解調(diào)。根據(jù)式（ 2-29 ），需要知 道傳感光纖中某一段長度范圍的準確的溫度信息， 將系統(tǒng)測得的反斯托克斯和斯 托克斯光強度與該段的比值作比較， 從而得出被測區(qū)域的溫度信息。 通過在光纖 上設(shè)置定標區(qū)， 可以消除反斯托克斯和斯托克斯信號處理通道的散射系數(shù)、 響應(yīng) 度和光濾波因子等靈敏度不同對溫度測量帶來的誤差， 解決溫度傳感測量的溫度 基準問題，實現(xiàn)高精度、高穩(wěn)定度的分布式溫度測量。定標區(qū)位置選擇泵浦光脈沖在光纖中產(chǎn)生背向散射光信號如圖 3 -7所示，曲線分三個部分

38、 : 前端反射區(qū)、 溫度測量區(qū)和尾端反射區(qū)， 前端反射區(qū)和后端反射區(qū)的拉曼散射信 號不反映光纖沿線的溫度分布。 溫度測量區(qū)的信號較為穩(wěn)定， 而且反映光纖沿線19 的溫度變化信息，所以定標區(qū)應(yīng)該設(shè)在這個區(qū)域的首端。溫度標定 基于拉曼散射的分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)需要首先確定傳感光纖中某一段 長度范圍的準確的溫度信息， 將系統(tǒng)測得的反斯托克斯與斯托克斯光強度比與該 段的比值作比較，從而得出被測區(qū)域的溫度信息。溫度定標區(qū)域位置在圖 3-7 已標出。系統(tǒng)溫度分辨率與標定溫度的精確度有關(guān)，可得到式 :T=式中， 為系統(tǒng)的定標精度 ；T 為系統(tǒng)的測溫精度。具有以下關(guān)系 :定標精度一定時，測量溫度越高，測溫精

39、度越低；定標溫度一定時，定標精度越高，測溫精度越高；測溫精度一定時，定標溫度越高，要求的定標精度越低。按照國際上通用的分布式溫度傳感器定標方法，定標區(qū)一般設(shè)在200m 處,這一點的空間位置是測量的起始點，所以計算時其測量長度 L=O。把前 200m的 光纖放在恒溫槽中，保持為設(shè)定的溫度。20第 4 章 系統(tǒng)的信號處理技術(shù)來自光纖反射回來的背向散射信號極其微弱， 經(jīng)過光電探測器轉(zhuǎn)化為電信號 后，微弱的信號完全淹沒在噪聲中，必須采用特殊的處理方法，將噪聲降低，相 對提高信號的信噪比，為正確提取溫度信號提供必要的信號質(zhì)量保證。取樣積分取樣積分是提高信噪比的一種有效方法， 這種方法要求信號一定要具有周期 性。對于分布式光纖溫度