分布式傳感器

FBG型分布式傳感系統(tǒng)拉曼（Raman）型分布式傳感系統(tǒng)布里淵（Brillouin）型分布式傳感系統(tǒng)分布式光纖傳感系統(tǒng)OTDR技術(shù)用于分布檢測光纖傳感技術(shù)在分布測量中的應(yīng)用

（時(shí)域變換技術(shù)）光纖S1T1S2T2S3T3SnTn只需在光纖一端測量，應(yīng)用方便

假設(shè)入射光脈沖寬度為T、功率為P(0)，這束光脈沖以群速度Vg在光纖中傳播，假設(shè)耦合進(jìn)光纖中的光功率為

P0,考慮沿光纖軸線上任一點(diǎn)

Z,設(shè)該點(diǎn)距入射端的距離為

z,那么該點(diǎn)的光功率為：])(exp[)0()(dxxPzPf-=a式中，是光纖前向衰減系數(shù)。若光在

Z點(diǎn)被散射,那么該點(diǎn)的背向散射光返回到達(dá)入射端時(shí)的光功率為：)(xfa式中，S(z)是光纖在

Z點(diǎn)的背向散射系數(shù)

,S(z)具有方向性;

是光纖背向衰減系數(shù)。)(xba（3）（4）將

(3)式代入

(4)可得：（5）

考慮光纖中有

2點(diǎn)

Z1和

Z2,其距入射端的距離分別為

z1和

z2(z2>z1),這

2點(diǎn)的背向散射光到達(dá)輸入端時(shí)為

PS(z1)和

PS(z2),則由

(5)式得：

（6）對上式兩邊取對數(shù)得：

（7）一般認(rèn)為光纖的損耗和光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)沿軸向近似均勻

,即認(rèn)為前向衰減系數(shù)和背向衰減系數(shù)不隨長度z而變,有,并認(rèn)為背向散射系數(shù)也不隨長度而變

[即

S(z1)≈(S(z2)],則

Z1

和

Z2

兩點(diǎn)間平均損耗系數(shù)為：（8）式中的PS(z1)和

PS(z2)的值可以從OTDR顯示屏上的連續(xù)背向散射軌跡的幅度得到,進(jìn)而可求出平均損耗系數(shù)α。與距離有關(guān)的信息是通過時(shí)間信息而得到的，OTDR測量發(fā)出脈沖與接收后向散射光的時(shí)間差,利用折射率ｎg值將這一時(shí)域信息轉(zhuǎn)換成距離：)](zfa)(zb[a+a≈1/2（9）其中ｃ為光在真空中的速度

(3×108ｍ/ｓ)

光源光探測器信號處理光放大器Y分支器被測光纖

示波器將被測光纖接入測量系統(tǒng)測量雙向背向散射損耗得到光纖長度Z測量過程美國貝爾通訊研究中心定義了兩種死區(qū)：（1）衰減死區(qū)從反射點(diǎn)開始到接收機(jī)恢復(fù)到后向散射電平約0.5dB的范圍內(nèi)的這段距離。也就是OTDR能再次測試損耗和衰減的點(diǎn)。（2）事件死區(qū)從OTDR接收到的反射點(diǎn)開始，到OTDR恢復(fù)到最高反射點(diǎn)1.5dB以下這段距離。在這以后才能發(fā)現(xiàn)是否還有地二個(gè)反射點(diǎn)，但還不能測試損耗和衰減。AdBL(km)反射接點(diǎn)終端菲涅爾反射端面反射與背向散射影響無反射損耗點(diǎn)或故障點(diǎn)熔接點(diǎn)無反射增益點(diǎn)噪聲OTDR測量結(jié)果的意義OTDR測量結(jié)果的意義1.5dB0.5dB事件死區(qū)衰減死區(qū)死區(qū)的大小與脈沖寬度、反射系數(shù)、損耗等因素有關(guān)。脈寬越短

,盲區(qū)越小

,但短脈沖同時(shí)又減小了動態(tài)范圍

,因此要在盲區(qū)和動態(tài)范圍之間折衷選擇脈寬。1、死區(qū)2、反射事件與非反射事件：如圖1所示

3、動態(tài)范圍動態(tài)范圍是OTDR主要性能指標(biāo)之一，它決定光纖的最大可測量長度。OTDR的動態(tài)范圍定義為：始端后向散射電平與噪聲之間的dB差。

CompanyLogo應(yīng)用光纖斷點(diǎn)、光纖接頭松動點(diǎn)的查找測量光纖長度測量光纖總損耗、平均損耗測量連接器的平均損耗1234測量連接器的回波損耗5

拉曼、布里淵散射（非彈性散射）斯托克斯—拉曼散射l

大反斯托克斯—拉曼散射l

小布里淵散射:晶體中的聲波參與了能量交換.斯托克斯-拉曼散射

RS布里淵散射

BS彈性散射布里淵散射

BS反斯托克斯-

拉曼散射

RS彈性散射(d)RSRSBSBS(a)(b)(c)非彈性散射SiO2

1.32*1012Hz10～20GHz線寬(約50MHz)。

光纖中的背向散射光ROTDR時(shí)域背向拉曼散射分布式光纖傳感器當(dāng)光纖局域位置(L=Lo處)的溫度變化時(shí)，調(diào)制了光纖拉曼散射光子通量，也就是光纖拉曼背向散射的溫度調(diào)制機(jī)理。反斯托克斯拉曼散射對溫度的敏感系數(shù)比斯托克斯拉曼散射要大得多。因此通常都將反斯托克斯拉曼散射用作信號通道，作為計(jì)算溫度的主要依據(jù)。30km的FGC-30拉曼測溫系統(tǒng)，其空間分辨率為3m、溫度分辨率為0.1℃、測溫范圍為0～+100℃測溫原理Is斯托克斯光光強(qiáng)反斯托克斯光光強(qiáng)溫度變化斯托克斯光：波長大于入射光反斯托克斯光：波長小于入射光測溫原理：Ias/Is＝ae-kcv/kTIasIs不變Ias變化同步控制光源恒溫耦合器耦合器濾波器濾波器探測器數(shù)據(jù)采集與處理后臺控制StokesAnti-Stokes傳感光纖測溫區(qū)域拉曼散射強(qiáng)度比瑞利散射強(qiáng)度低20~30dBm，要求脈沖峰值功率很高；拉曼散射只受到環(huán)境溫度的影響，而對應(yīng)力變化不敏感；相對基于喇曼散射的傳感系統(tǒng)來說，基于布里淵散射的傳感系統(tǒng)：1）它能同時(shí)對溫度和應(yīng)力進(jìn)行探測；2）探測作用距離遠(yuǎn)，能達(dá)到100公里，空間分辨率達(dá)到5米；3）成本費(fèi)用低。散射產(chǎn)生的物理原因溫度和光纖應(yīng)變都會造成布里淵頻率的線性移動,所以可表示為

fB=fB0+fTT(℃)+fεε(με)

布里淵功率隨溫度的上升而線性增加,隨應(yīng)變增加而線性下降.布里淵功率為

PB=PB0+PTT(℃)+Pεε(με)BOTDR光時(shí)域背向布里淵散射

分布式光纖傳感器通過測量布里淵頻移和布里淵散射的光功率，就可以求得被測量點(diǎn)的溫度和應(yīng)力的大小。

對于溫度的布里淵頻移系數(shù)是1.22M/度（1310）、1M/度（1550），而對于應(yīng)力是581M/%（1310）、493M/%（1550）。溫度的影響較小。光源耦合器差分探測數(shù)據(jù)采集與處理傳感光纖測溫區(qū)域BOTDR技術(shù)用于分布檢測BOTDR光纖S1T1S2T2S3T3SnTn只需在光纖一端測量，應(yīng)用方便

缺點(diǎn)測應(yīng)力581M/%（1310）、493M/%（1550）功率小，難檢測應(yīng)力：物體由于外因(受力、溫度場變化等)而變形時(shí)，在物體內(nèi)各部分之間產(chǎn)生相互作用的內(nèi)力，以抵抗這種外因的作用，并力圖使物體從變形后的位置回復(fù)到變形前的位置。應(yīng)變：用以描述一點(diǎn)處變形的程度的力學(xué)量是該點(diǎn)的應(yīng)變。光源耦合器差分探測數(shù)據(jù)采集與處理傳感光纖測溫區(qū)域探測光源BOTDA檢測30km光纖沿線的應(yīng)變，·空間分辨力可達(dá)1m?！?yīng)變精度:20μe(0.002%)

·溫度精度:1°C·取樣時(shí)間:20s至5min(2min典型值)應(yīng)用場合優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)OTDR斷點(diǎn)、損傷檢測連續(xù)顯示衰減情況有盲區(qū)BOTDR應(yīng)力、溫度測量精度和分辨率高要求極窄線寬、可調(diào)線寬激光器；交叉干擾；功率低BOTDA應(yīng)力、溫度測量精度和分辨率高，大動態(tài)范圍系統(tǒng)復(fù)雜；兩端測量；不能檢測斷點(diǎn)；交叉干擾ROTDR溫度較高測溫精度返回的信號弱，大功率光源拉曼時(shí)域法拉曼頻域法布里淵時(shí)域法布里淵頻域法三種分布式光纖溫度傳感器參數(shù)比較傳感類型工作帶寬測量時(shí)間高速采樣信號處理光源空間分辨率溫度分辨率傳感距離寬短需要簡單幾百nW1130窄長不需要復(fù)雜幾百nW1110寬短需要簡單幾十nW1111窄長不需要復(fù)雜幾十nW1111①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；②由于布里淵頻移對溫度的變化也較敏感，因此，還需要考慮如何將拉伸應(yīng)變引起的頻移與溫度引起的頻移區(qū)分開來．

BOTDR的缺點(diǎn)

光纖相位傳感器要求有相應(yīng)的干涉儀來完成相位檢測過程。對于一個(gè)相位調(diào)制干涉型光纖傳感器，敏感光纖和干涉儀缺一不可。敏感光纖完成相位調(diào)制任務(wù)，干涉儀完成相位—光強(qiáng)的轉(zhuǎn)換任務(wù)。光纖相位傳感器干涉型光纖傳感器相位調(diào)制當(dāng)光纖受到縱向(軸向)的機(jī)械應(yīng)力作用時(shí)，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(dǎo)致光波的相位變化.光的干涉光的干涉條件：

相干光源S1、S2發(fā)出的光波在空間P點(diǎn)相遇，兩列波在P點(diǎn)的干涉本質(zhì)上是兩個(gè)同方向、同頻率的電磁簡諧振動的疊加。相干條件：①頻率相同②振動方向相同③相位差恒定根據(jù)疊加原理，P點(diǎn)的合振動為P點(diǎn)的合振動也是一個(gè)簡諧振動，其振動頻率和振動方向都與兩單色光波相同，振幅和初相位分別由上式?jīng)Q定。原始信號與不同幅度調(diào)制信號比較401.主動式同步解調(diào)（activehomodyne）2.被動式同步解調(diào)（passivehomodyne）3×3對