分布式光纖傳感技器

分布式光纖傳感技器第一頁，共一百零六頁，2022年，8月28日內(nèi)容概要概述準(zhǔn)分布式FBG傳感技術(shù)分布式光纖傳感技術(shù)散射型分布式傳感器相位調(diào)制型分布式傳感器偏振型分布式傳感器微彎型分布式傳感器熒光性分布式傳感器光纖傳感技術(shù)的發(fā)展分布式光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用2第二頁，共一百零六頁，2022年，8月28日一分布式光纖傳感器概述1定義

分布式光纖傳感器是利用光波在光纖中的傳輸特性，可沿光纖長度方向連續(xù)的傳感被測量（溫度、壓力、應(yīng)力和應(yīng)變等）。光纖既是感受被測量的傳感介質(zhì)，又是傳輸被測量的傳輸介質(zhì)。2優(yōu)點(diǎn)：

①測量空間范圍大：上千米---上百千米。②結(jié)構(gòu)簡單、使用方便：傳感與傳輸使用同根光纖。③性價(jià)比低：單位長度內(nèi)信息獲取成本大大降低。3第三頁，共一百零六頁，2022年，8月28日3研究重點(diǎn)①傳感元件的選擇（要求給出被測量沿空間位置的連續(xù)變化值），

可利用光纖中傳輸損耗、模耦合、傳播的相位差以及非線性效應(yīng)等給出連續(xù)分布的測量結(jié)果。②解調(diào)方法的確定（要求給出被測量對(duì)應(yīng)的空間位置）可利用光時(shí)域反射技術(shù)、掃描干涉技術(shù)等給出被測量所對(duì)應(yīng)的空間位置。4分類4第四頁，共一百零六頁，2022年，8月28日5分布式光纖傳感器原理結(jié)構(gòu)圖

由光源、傳感、信號(hào)處理和顯示三部分組成。5光源光探測器信號(hào)處理光放大器光纖耦合器

被測光纖示波器

關(guān)鍵技術(shù)：①大功率、窄脈沖輸出，②低噪聲、高靈敏度光探測，③高速率信號(hào)處理第五頁，共一百零六頁，2022年，8月28日6分布式光纖傳感器的特征參量①空間分辨率

對(duì)沿傳感光纖的長度分布的被測量進(jìn)行測量時(shí)所能分辨的最小空間距離。影響因素：脈沖的持續(xù)時(shí)間，探測器的響應(yīng)時(shí)間。②時(shí)間分辨率

傳感器對(duì)被測量進(jìn)行測量時(shí)，達(dá)到被測量的分辨率所需的時(shí)間。表征傳感器測量的實(shí)時(shí)性能。影響因素：采樣次數(shù)，計(jì)算平均的次數(shù)。③被測量分辨率指傳感器對(duì)被測量能正確測量的程度。一般用信噪比為1時(shí)作為判據(jù)。如溫度分辨率是指信噪比為1時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度變化量。影響因素：光源功率，探測器靈敏度，探測器噪聲，系統(tǒng)耦合損耗。6第六頁，共一百零六頁，2022年，8月28日二準(zhǔn)分布式FBG光纖傳感技術(shù)7光纖光柵：一種波長分選與光譜分離的設(shè)備。光纖光柵分布在光纖體內(nèi)，可由紫外光對(duì)光纖側(cè)面進(jìn)行曝光，使纖芯的折射率沿軸向呈現(xiàn)出周期性。第七頁，共一百零六頁，2022年，8月28日圖1FBG分布式測量原理圖2023/3/148第八頁，共一百零六頁，2022年，8月28日當(dāng)光纖入射光波的波長λ滿足布喇格衍射條件時(shí)，則該波長的光波將沿來路發(fā)生反射,該反射光就是布喇格反射光。

第九頁，共一百零六頁，2022年，8月28日應(yīng)變測量原理第十頁，共一百零六頁，2022年，8月28日溫度測量原理第十一頁，共一百零六頁，2022年，8月28日FBG光纖傳感系統(tǒng)組成第十二頁，共一百零六頁，2022年，8月28日

可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)力與溫度的準(zhǔn)分布式測量

也就是將具有不同柵距Λ的布喇格光柵間隔地制作在同一根光纖上,，就可以用同一根光纖復(fù)用多個(gè)FBG傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)待測結(jié)構(gòu)定點(diǎn)的分布式的測量。由于該復(fù)用系統(tǒng)中每一個(gè)FBG傳感器的位置與λB

都是確定的。分別對(duì)它們的波長移動(dòng)量Δλ進(jìn)行檢測，就可以準(zhǔn)確地對(duì)各FBG傳感器所在處的擾動(dòng)信息進(jìn)行監(jiān)測。FBG傳感器的優(yōu)點(diǎn)：2023/3/1413第十三頁，共一百零六頁，2022年，8月28日三分布式光纖傳感技術(shù)1時(shí)域測量原理2分布式光纖傳感器具體類型（1）散射型分布式傳感器（2）相位調(diào)制型分布式傳感器（3）偏振型分布式傳感器（4）微彎型分布式傳感器（5）熒光型分布式傳感器14第十四頁，共一百零六頁，2022年，8月28日1時(shí)域測量原理：光時(shí)域反射(OTDR)技術(shù)光時(shí)域反射(OTDR：OpitcalTime-DomainReflectometry)技術(shù)最初被用于檢驗(yàn)光纖線路的損耗特性以及故障分析。當(dāng)光脈沖在光纖中傳輸?shù)臅r(shí)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(shí)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(shí)域反射計(jì)將通過對(duì)返回光功率與返回時(shí)間的關(guān)系獲得光纖線路沿線的損耗情況。15第十五頁，共一百零六頁，2022年，8月28日光時(shí)域反射(OTDR)技術(shù)光時(shí)域反射技術(shù)，即向光纖中注入一個(gè)脈沖，通過反射信號(hào)和入射脈沖之間的時(shí)間差來確定空間位置。d為事件點(diǎn)距離系統(tǒng)終端的距離，c為真空光速，n為光纖有效折射率脈沖的重復(fù)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(duì)應(yīng)空間分辨率1m）。16第十六頁，共一百零六頁，2022年，8月28日利用OTDR技術(shù)測量光纖沿線背向反射光功率的結(jié)果第十七頁，共一百零六頁，2022年，8月28日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

第十八頁，共一百零六頁，2022年，8月28日

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）第十九頁，共一百零六頁，2022年，8月28日將

(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(duì)上式兩邊取對(duì)數(shù)得：

（7）第二十頁，共一百零六頁，2022年，8月28日一般認(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)

第二十一頁，共一百零六頁，2022年，8月28日光源光探測器信號(hào)處理光放大器Y分支器被測光纖

示波器第二十二頁，共一百零六頁，2022年，8月28日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。第二十三頁，共一百零六頁，2022年，8月28日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)果的意義第二十四頁，共一百零六頁，2022年，8月28日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(dòng)態(tài)范圍

,因此要在盲區(qū)和動(dòng)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(dòng)態(tài)范圍動(dòng)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(dòng)態(tài)范圍定義為：始端后向散射電平與噪聲之間的dB差。

第二十五頁，共一百零六頁，2022年，8月28日應(yīng)用光纖斷點(diǎn)、光纖接頭松動(dòng)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測量連接器的回波損耗第二十六頁，共一百零六頁，2022年，8月28日內(nèi)容概要概述準(zhǔn)分布式FBG傳感技術(shù)分布式光纖傳感技術(shù)散射型分布式傳感器相位調(diào)制型分布式傳感器偏振型分布式傳感器微彎型分布式傳感器熒光型分布式傳感器光纖傳感技術(shù)的發(fā)展分布式光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用27第二十七頁，共一百零六頁，2022年，8月28日2分布式光纖傳感器具體類型28（1）散射型分布式傳感器（2）相位調(diào)制型分布式傳感器（3）偏振調(diào)制型分布式傳感器（4）微彎型分布式傳感器（5）熒光型分布式傳感器第二十八頁，共一百零六頁，2022年，8月28日（1）散射型分布式傳感器29①瑞麗散射型分布式傳感器②拉曼散射型分布式傳感器③布里淵散射型分布式傳感器第二十九頁，共一百零六頁，2022年，8月28日光纖中的背向散射光第三十頁，共一百零六頁，2022年，8月28日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。斯托克斯光反斯托克斯光31第三十一頁，共一百零六頁，2022年，8月28日

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)。

第三十二頁，共一百零六頁，2022年，8月28日①瑞麗散射型分布式傳感器33

基于瑞麗散射基本原理進(jìn)行傳感，用光干涉技術(shù)進(jìn)行空間定位。如：當(dāng)光纖受力時(shí)，其瑞麗散射光強(qiáng)也隨之變化，根據(jù)光強(qiáng)變化大小即可推斷受力大小，從而制作分布式光纖應(yīng)力傳感器。具體見書P40。第三十三頁，共一百零六頁，2022年，8月28日②拉曼散射型分布式傳感器（ROTDR）34

拉曼散射分布式光纖傳感器是基于拉曼散射的散射光參量與散射介質(zhì)溫度等參量之間的關(guān)系進(jìn)行傳感，利用光時(shí)域反射技術(shù)定位以構(gòu)成拉曼散射分布式光纖傳感器。第三十四頁，共一百零六頁，2022年，8月28日拉曼散射產(chǎn)生機(jī)理：在任何分子介質(zhì)中，光通過介質(zhì)時(shí)由于入射光與分子運(yùn)動(dòng)相互作用會(huì)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(xué)描述：分子吸收頻率為V0的光子，發(fā)射V0-Vi的光子，同時(shí)分子從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)（對(duì)應(yīng)斯托克斯光）；分子吸收頻率為V0的光子，發(fā)射V0+Vi的光子，同時(shí)分子從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)（反斯托克斯光）。35第三十五頁，共一百零六頁，2022年，8月28日ROTDR——傳感原理拉曼散射由分子熱運(yùn)動(dòng)引起，所以拉曼散射光可以攜帶散射點(diǎn)的溫度信息。反斯托克斯光的幅度強(qiáng)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(duì)探測到的后向散射光信號(hào)取較長時(shí)間內(nèi)的平均值。此方法上世紀(jì)80年代就已被提出，并商用化。36第三十六頁，共一百零六頁，2022年，8月28日基于自發(fā)拉曼散射的分布式光纖溫度傳感器原理光纖中自發(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(dòng)、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(shí)間保證測溫精度。37第三十七頁，共一百零六頁，2022年，8月28日ROTDR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，這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(duì)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(hào)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℃第三十八頁，共一百零六頁，2022年，8月28日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變化測溫原理第三十九頁，共一百零六頁，2022年，8月28日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(tái)控制StokesAnti-Stokes傳感光纖測溫區(qū)域第四十頁，共一百零六頁，2022年，8月28日拉曼散射強(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(duì)應(yīng)力變化不敏感；相對(duì)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(duì)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。第四十一頁，共一百零六頁，2022年，8月28日42③BOTDR——光時(shí)域布里淵散射光纖傳感器布里淵散射產(chǎn)生機(jī)理是入射光與聲波或傳播的壓力波相互作用的結(jié)果，這個(gè)傳播的壓力波等效于一個(gè)以一定速度移動(dòng)的密度光柵。因此布里淵散射可以看成是入射光在移動(dòng)光柵上的散射。多普勒效應(yīng)使散射光頻率不同于入射光。第四十二頁，共一百零六頁，2022年，8月28日BOTDR——布里淵散射量子光學(xué)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)生一個(gè)聲學(xué)聲子和一個(gè)散射(Stokes)光子。散射光與泵浦波的傳播方向相反，與入射波（在1.55mm處）的頻移約為：fB=11.1GHZ。分為自發(fā)布里淵散射和受激布里淵散射兩種43第四十三頁，共一百零六頁，2022年，8月28日第四十四頁，共一百零六頁，2022年，8月28日BOTDR——傳感原理布里淵散射斯托克斯光相對(duì)于入射光的頻移為：介質(zhì)折射率入射光頻率介質(zhì)中聲速介質(zhì)的楊氏模量介質(zhì)密度泊松比溫度應(yīng)力熱光效應(yīng)彈光效應(yīng)折射率變化聲速變化調(diào)制介質(zhì)的E、k、密度布里淵頻移變化45第四十五頁，共一百零六頁，2022年，8月28日BOTDR——傳感原理布里淵散射光頻移會(huì)隨著溫度和光纖應(yīng)變的上升而線性增加：

fB=fB0+fTT(℃)+fεε(με)布里淵散射光功率會(huì)隨溫度的上升而線性增加,隨應(yīng)變增加而線性下降：

PB=PB0+PTT(℃)+Pεε(με)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(diǎn)的溫度和應(yīng)力的大小。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(diǎn)的溫度和應(yīng)力的大小。46第四十六頁，共一百零六頁，2022年，8月28日BOTDR——布里淵頻移系數(shù)對(duì)于溫度的布里淵頻移系數(shù)是1.22M/度（@1310nm），1M/度（@1550nm）對(duì)于應(yīng)力的布里淵頻移系數(shù)是581M/%（@1310nm），493M/%（@1550nm）溫度的影響較小。47第四十七頁，共一百零六頁，2022年，8月28日BOTDR與BOTDA(BRILLOUINOPTICALTIMEDOMAINANALYSIS)BOTDR系統(tǒng)從一端輸入泵浦脈沖，在同一端檢測返回信號(hào)的中心波長和功率。使用方便，但自發(fā)布里淵散射信號(hào)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（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(qiáng)度更強(qiáng)48第四十八頁，共一百零六頁，2022年，8月28日BOTDR——定位原理對(duì)一定頻譜范圍連續(xù)不斷的進(jìn)行循環(huán)掃描，獲得各個(gè)時(shí)間段上的光譜，并將時(shí)間與位置相對(duì)應(yīng)，即可獲得沿光纖各位置處的布里淵頻譜圖，并獲得異常的布里淵頻移量和散射光功率。49第四十九頁，共一百零六頁，2022年，8月28日BOTDR——優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1連續(xù)分布式測量溫度和應(yīng)變

2高溫度和應(yīng)變分辨率

4高空間分辨率

5超長傳感范圍(超過80公里)

6同一根光纖既可用于傳感，也可用于通信缺點(diǎn)：需要激光器的輸出穩(wěn)定、線寬窄，對(duì)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(dāng)微弱（比瑞利散射約小兩個(gè)數(shù)量級(jí)），檢測比較困難，要求信號(hào)處理系統(tǒng)具有較高的信噪比;由于在檢測過程中需進(jìn)行大量的信號(hào)加法平均、頻率的掃描等處理,因而實(shí)現(xiàn)一次完整的測量需較長的時(shí)間,實(shí)時(shí)性不夠好。50第五十頁，共一百零六頁，2022年，8月28日檢測30km光纖沿線的應(yīng)變，空間分辨力可達(dá)1m。應(yīng)變精度:20μe(0.002%)溫度精度:1°C取樣時(shí)間:20s至5min(典型值：2min)51第五十一頁，共一百零六頁，2022年，8月28日幾種散射式傳感技術(shù)的比較應(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(dòng)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(hào)弱，大功率光源52第五十二頁，共一百零六頁，2022年，8月28日（2）相位調(diào)制型分布式光纖傳感器53相位調(diào)制型分布式光纖傳感器是利用干涉儀的原理進(jìn)行分布式傳感，例如前述的分布式瑞麗散射光纖傳感器和分布式薩格納克光纖傳感器。第五十三頁，共一百零六頁，2022年，8月28日相位調(diào)制型光纖傳感器相位調(diào)制當(dāng)光纖受到機(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.是光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(shí)際中通常使光發(fā)生干涉，將相位的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈴?qiáng)的變化進(jìn)行檢測，之后再解調(diào)獲得相位變化第五十四頁，共一百零六頁，2022年，8月28日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(dòng)的疊加。相干條件：①頻率相同②振動(dòng)方向相同③相位差恒定第五十五頁，共一百零六頁，2022年，8月28日①M(fèi)-Z干涉型光纖傳感器用作分布式振動(dòng)傳感隨機(jī)干擾干涉臂相位的隨機(jī)變化干涉儀輸出功率的隨機(jī)變化以M-Z干涉儀作為周界監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，入侵事件出現(xiàn)將導(dǎo)致接收信號(hào)功率的變化56第五十六頁，共一百零六頁，2022年，8月28日M-Z干涉型光纖傳感器的信號(hào)處理信號(hào)處理的目標(biāo)——1).對(duì)干擾事件進(jìn)行定性通過解調(diào)獲得干擾臂的相位變化，進(jìn)而根據(jù)相位變化情況分析干擾產(chǎn)生原因。57利用3*3耦合器解調(diào)原理圖第五十七頁，共一百零六頁，2022年，8月28日M-Z干涉型光纖傳感器的信號(hào)處理通過順時(shí)針和逆時(shí)針傳輸?shù)南辔皇芨蓴_光信號(hào)到達(dá)A點(diǎn)和B點(diǎn)的時(shí)延差可計(jì)算出產(chǎn)生干擾的位置。A點(diǎn)和B點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)M-Z干涉儀兩個(gè)耦合器的位置。P點(diǎn)是干擾發(fā)生的位置使用時(shí)使干涉儀兩臂中同時(shí)存在順時(shí)針和逆時(shí)針傳輸?shù)墓?8信號(hào)處理的目標(biāo)——2).對(duì)干擾事件進(jìn)行定位（適用于周界監(jiān)控及管道監(jiān)控等應(yīng)用）第五十八頁，共一百零六頁，2022年，8月28日耦合器C2和C3構(gòu)成M-Z干涉儀在計(jì)算機(jī)中對(duì)PD1和PD2接收到的光信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算，就可以獲得干擾出現(xiàn)的時(shí)延差，繼而實(shí)現(xiàn)干擾定位利用M-Z干涉儀進(jìn)行分布式傳感的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖59第五十九頁，共一百零六頁，2022年，8月28日②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(jìn)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(dāng)傳感光纖沒有受到干擾時(shí)，干涉現(xiàn)象趨于穩(wěn)定；受到外界干擾時(shí)，正反向兩光束會(huì)產(chǎn)生不同的相移，并于耦合器處發(fā)生干涉，干涉信號(hào)的光強(qiáng)與干擾發(fā)生位置具有一定關(guān)系。R1R2

Sagnac干涉儀的另一個(gè)典型應(yīng)用是光纖陀螺，即當(dāng)環(huán)形光路有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，順逆時(shí)針的光會(huì)有非互易性的光程差，可用于轉(zhuǎn)動(dòng)傳感60第六十頁，共一百零六頁，2022年，8月28日光纖SAGNAC干涉型分布式傳感器定位原理當(dāng)干擾源信號(hào)是正弦信號(hào)（或形如正弦信號(hào)）時(shí)，接收信號(hào)的功率幅值為零點(diǎn)頻率發(fā)生在

干擾源位置R1與第N個(gè)零頻之間的關(guān)系為通過分析接收光信號(hào)的零頻點(diǎn)位置即可獲得干擾源的位置（上）有干擾時(shí)光強(qiáng)信號(hào)的理論計(jì)算值（下）實(shí)驗(yàn)值61第六十一頁，共一百零六頁，2022年，8月28日（3）偏振型分布式傳感器62偏振調(diào)制型光纖傳感器的原理是利用高雙折射率光纖在外界因素下引起的偏振模耦合來感知被測量的變化，再利用掃描邁克爾遜干涉儀測出被測量的位置。第六十二頁，共一百零六頁，2022年，8月28日（4）微彎分布式傳感器63利用光纖中的微彎損耗效應(yīng)和OTDR技術(shù)構(gòu)成的。第六十三頁，共一百零六頁，2022年，8月28日（4）熒光型分布式傳感器64第六十四頁，共一百零六頁，2022年，8月28日內(nèi)容概要一概述二準(zhǔn)分布式FBG傳感技術(shù)三分布式光纖傳感技術(shù)

散射型分布式光纖傳感器相位調(diào)制型分布式光纖傳感器偏振型分布式光纖傳感器微彎型分布式光纖傳感器熒光型分布式光纖傳感器四分布式光纖傳感技術(shù)的發(fā)展五分布式光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用65第六十五頁，共一百零六頁，2022年，8月28日四分布式光纖傳感技術(shù)的發(fā)展1.進(jìn)入實(shí)用化階段，逐步形成傳感領(lǐng)域的一個(gè)新分支。不少分布式光纖傳感器以其特有的優(yōu)點(diǎn)，替代或更新了傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)，如光纖陀螺、光纖水聽器等；出現(xiàn)一些應(yīng)用光纖傳感技術(shù)的新型測試系統(tǒng)，如分布式光纖測溫系統(tǒng)、以光纖光柵為主的光纖智能結(jié)構(gòu)；改造了傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)，如利用電/光轉(zhuǎn)換和光/電轉(zhuǎn)換技術(shù),把傳統(tǒng)的電子測量儀表改造成安全可靠的光纖式儀表等。許多特殊場合－核工業(yè)、化工和石油鉆探中也都應(yīng)用了分布式光纖傳感系統(tǒng)。根據(jù)市場調(diào)查分析公司BusinessCommunicationsCompany發(fā)布的關(guān)于光纖傳感器的市場報(bào)告，從2005年到2011年，全球光纖傳感器的整體市場將保持增長態(tài)勢，預(yù)計(jì)平均年復(fù)合增長率為4.1%，至2011年，全球產(chǎn)值將達(dá)上億美元。66第六十六頁，共一百零六頁，2022年，8月28日

2.新的傳感技術(shù)不斷出現(xiàn)，促進(jìn)了相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展。例如，光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，促進(jìn)了智能材料和智能結(jié)構(gòu)的發(fā)展；光子晶體光纖用于傳感的可能性促進(jìn)了光子晶體的發(fā)展等。智能材料是指將敏感元件嵌入被測構(gòu)件機(jī)體和材料中，從而在構(gòu)件或材料常規(guī)工作的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)其安全運(yùn)轉(zhuǎn)、故障等的實(shí)時(shí)監(jiān)控。其中，光纖和電導(dǎo)線與多種材料的有效結(jié)合是關(guān)鍵問題之一。67第六十七頁，共一百零六頁，2022年，8月28日光纖傳感技術(shù)的發(fā)展智能背心這是一件嵌入了光纖和電導(dǎo)線的背心，能夠感知環(huán)境溫度及化學(xué)成分的變化，用于醫(yī)學(xué)和軍事應(yīng)用。68埋入了六根光纖的紡織品第六十八頁，共一百零六頁，2022年，8月28日3原理性研究仍處于重要位置由于很多分布式光纖傳感器的開發(fā)是以取代當(dāng)前已被廣泛采用的傳統(tǒng)機(jī)電傳感系統(tǒng)為目的，所以盡管分布式光纖傳感器具有諸多優(yōu)勢，其市場滲透所面臨的困難和挑戰(zhàn)仍很巨大。而那些具有前所未有全新功能的分布式光纖傳感器則在競爭中占有明顯優(yōu)勢。4相關(guān)的應(yīng)用開發(fā)也還任重道遠(yuǎn)在很多領(lǐng)域，分布式光纖傳感技術(shù)尚未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，許多關(guān)鍵技術(shù)仍然停留在實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)階段，距商業(yè)化還有一定的距離。69第六十九頁，共一百零六頁，2022年，8月28日五分布式光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用70第七十頁，共一百零六頁，2022年，8月28日分布式光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用——周界防護(hù)光纜傳感監(jiān)控系統(tǒng)工程施工實(shí)例根據(jù)防范的不同場合和要求，光纖可以構(gòu)成各種形狀，環(huán)置于需要防范的周界處的適當(dāng)位置，當(dāng)入侵者侵入時(shí)，系統(tǒng)都會(huì)發(fā)出告警信號(hào)71第七十一頁，共一百零六頁，2022年，8月28日國慶60周年通州閱兵村的光纜預(yù)警系統(tǒng)采用的就是分布式光纖傳感技術(shù)第七十二頁，共一百零六頁，2022年，8月28日分布式光纖傳感技術(shù)用于航空領(lǐng)域的多參量監(jiān)測太空飛船X-38的再入式實(shí)驗(yàn)飛行器（NASA圖片）傳感器布測區(qū)域a.分布式溫度傳感方案b.分布式應(yīng)力傳感方案輸出信號(hào)沿光纖傳輸光的背向散射分量光纖溫度傳感元平面溫度場分布輸入信號(hào)埋入光纖應(yīng)力傳感元輸入信號(hào)輸出信號(hào)光纖監(jiān)測網(wǎng)損傷探測73第七十三頁，共一百零六頁，2022年，8月28日分布式光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用——管道泄露監(jiān)測74第七十四頁，共一百零六頁，2022年，8月28日第七十五頁，共一百零六頁，2022年，8月28日各種分布式光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用傳感原理傳感監(jiān)測量應(yīng)用領(lǐng)域B-OTDR應(yīng)力，溫度管道泄露監(jiān)測，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等R-OTDR溫度油氣油井里溫度分布監(jiān)測、管道泄露監(jiān)測等M-Z微振動(dòng)周界防護(hù)等Sagnac較有規(guī)律的微振動(dòng)氣體管道泄露監(jiān)測、周界防護(hù)等76第七十六頁，共一百零六頁，2022年，8月28日拉曼時(shí)域法拉曼頻域法布里淵時(shí)域法布里淵頻域法四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(hào)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nW1111第七十七頁，共一百零六頁，2022年，8月28日溫度探測及火災(zāi)探測系統(tǒng)進(jìn)化

---連續(xù)分布式光纖溫度探測器第七十八頁，共一百零六頁，2022年，8月28日第一代：鉑電阻、熱電偶、集成測溫芯片光纖光柵等點(diǎn)式溫度傳感器，當(dāng)需要大范圍檢測時(shí)，需要組網(wǎng)，布線復(fù)雜，系統(tǒng)可靠性差，維護(hù)工作量大測溫技術(shù)的進(jìn)化第七十九頁，共一百零六頁，2022年，8月28日第二代：感溫電纜、紅外測溫儀、雙波長火焰探測器等線形溫度傳感器：探測范圍200米以內(nèi)，這類傳感器的缺點(diǎn)不能定位，感溫電纜報(bào)警后即失效，需要更換。第八十頁，共一百零六頁，2022年，8月28日

第三代：分布式光纖溫度傳感器：

用一根數(shù)公里長的光纖替代數(shù)千甚至上萬個(gè)點(diǎn)式溫度傳感器，而且抗電磁干擾，保證安全，測溫不用電，可用于油污、粉塵等惡劣環(huán)境、施工簡單，系統(tǒng)調(diào)校方便。測溫技術(shù)的進(jìn)化第八十一頁，共一百零六頁，2022年，8月28日連續(xù)分布式光纖溫度探測器原理示意圖“探測光纜＝探測器”1m脈沖光背向散射光

每隔1m即提供一個(gè)測量點(diǎn)沿著整條光纜進(jìn)行測量:10km光纜=10,000探測器T9,999T9,998T9,997T9,996T9,995第八十二頁，共一百零六頁，2022年，8月28日ScatteringinOptic-Fiber第八十三頁，共一百零六頁，2022年，8月28日Molecularenergyleveldiagram第八十四頁，共一百零六頁，2022年，8月28日MeasuringtemperatureprincipleuseRamanEffectStokesRamanback-scatteringphotonflux:

Anti-StokesRamanback-scatteringphotonflux:Thepopulationofloweranduppermolecularenergylevel,itisdependentonthelocaldomaintemperatureofopticalfiber:第八十五頁，共一百零六頁，2022年，8月28日溫度曲線第八十六頁，共一百零六頁，2022年，8月28日分區(qū)探測（電纜上敷設(shè)感溫光纜）第八十七頁，共一百零六頁，2022年，8月28日分區(qū)探測第八十八頁，共一百零六頁，2022年，8月28日井下環(huán)境溫度探測及煤層自燃監(jiān)測沿井道敷設(shè)長距離的溫度探測光纜，可以監(jiān)測煤礦井下巷道及工作面的環(huán)境溫度梯度分布等作業(yè)條件通過嵌入煤層敷設(shè)方式探測巖煤溫度，可以監(jiān)測井下煤層自燃癥兆具有礦井采空區(qū)火災(zāi)早期預(yù)測預(yù)報(bào)和專家決策分析功能測溫光纖第八十九頁，共一百零六頁，2022年，8月28日皮帶輸送機(jī)全線熱點(diǎn)探測與火災(zāi)報(bào)警由于所傳送的粉（塊）狀物料會(huì)造成滾筒打滑或托輥卡住引起超溫燃燒電氣短路、人為明火等外部火源引燃火災(zāi)2008年03月02日，山西朔州馮家?guī)X煤礦井下發(fā)生皮帶燃燒事故，9人不幸遇難通過沿皮帶機(jī)全線敷設(shè)溫度探測光纜，實(shí)時(shí)監(jiān)測長距離皮帶輸送機(jī)全線的熱點(diǎn)與火災(zāi)報(bào)警測溫光纖第九十頁，共一百零六頁，2022年，8月28日對(duì)井下大負(fù)荷電纜安全運(yùn)行監(jiān)控井下大功率采礦機(jī)械設(shè)備的大負(fù)荷電纜，處于高溫高濕頻繁拖移的工作狀態(tài),將有利于企業(yè)安全生產(chǎn)2008年03月05日，黑龍江省鶴崗市泰源煤礦，由井下電纜破損引發(fā)火災(zāi)，井下的13名礦工遇難探測電纜的長期超負(fù)荷過熱運(yùn)行及老化、破損而引起的燃爆和突發(fā)熱故障提供預(yù)警與火災(zāi)報(bào)警，為礦井的安全運(yùn)行提供了有力保證探測光纜又是礦井電纜故障的溫度記錄器，它能在大負(fù)荷電纜故障之前發(fā)出報(bào)警及檢修建議。在一條探測纜上可分別設(shè)定100個(gè)以上的監(jiān)測區(qū)間測溫光纖第九十一頁，共一百零六頁，2022年，8月28日電纜隧道、電纜夾層的火災(zāi)探測

－－光纜安裝

電纜夾層測溫：將光纜埋入夾層中。

變事后報(bào)警為事前預(yù)測

電纜隧道測溫：將光纜懸掛安裝于隧道頂部電纜橋架上電纜溫度測量：將光纜沿橋架上

電纜正弦鋪設(shè)第九十二頁，共一百零六頁，2022年，8月28日礦井變壓器的故障探測與火