分布式光纖傳感器

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確測量光纖沿線上任意一點上的應力、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，由光學聲子引起；布里淵散射，由聲學聲子引起。其散射光譜圖入下：圖1散射光譜圖OTDR技術散射類光纖傳感主要運用OTDR技術實現(xiàn)，此技術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與OTDR的距離：

其中c：真空光速；n：折射率；τ：時延。OTDR技術的空間分辨率基于OTDR技術的傳感器均有類似的空間分辨率，其表達式如下：其中c：真空光速；n：折射率；T：脈沖寬度。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主要有以下幾類：普通OTDR；相位敏感OTDR（φ-OTDR）；相干OTDR（COTDR）；偏振OTDR（POTDR）。普通OTDR用于光纖測試普通的OTDR一般用來檢測光纖中的熔接點、連接器的損耗和位置，技術已經(jīng)十分成熟，它利用的是瑞利散射光。圖3OTDR用于光纖測試相位敏感OTDR（φ-OTDR）把普通OTDR的光源換成窄線寬激光器，則可用來實現(xiàn)對外界微擾的分布式定位，這便是φ-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)生變化導致幅度也發(fā)生較大變化，通過檢測幅度的畸變點便實現(xiàn)了分布式測量。φ-OTDR擾動定位φ-OTDR靈敏度高并且可以實現(xiàn)多點擾動定位，但是由于對激光器線寬要求很高(kHz)，導致成本很高。圖4φ-OTDR擾動定位CO谷TD廁R相干狡檢測云擾動蛋定位通過欲相干拔檢測跪技術跌可以僚大幅堪度提求高φ-途OT爹DR的信挨噪比拳，通狠過相巨干技吸術實隔現(xiàn)φ-濟OT尤DR解調(diào)銅的方晨法叫撿做CO秩TD儀R，其非系統(tǒng)余搭建犧圖如屬下所孤示。圖5相干豪檢測OT甩DRCO怨TD簽R實例英國Op銀ta者Se柜ns衣e公司狠的分討布式疾光纖脊聲學嗓傳感選器(D棒AS族)。In凡te饅rr愉og閥at撐or真U蘆ni疤tSe務ndaco女nd哲it直io錫ne覆d友pu鬼ls蕩e古of鋼l鳴ig毅htin項to畝t轉(zhuǎn)hefi河br春e吵to跨c匠re翁at偉e遲vi廈rt飾ua薦l遮mi寨cr煌op脆ho稅ne丈s.Pr乖oc糟es廁si河ng妙U垃ni同tUs程er伙I胳nt偏er攜fa紛ceTh民e潑ac如ou后st事ic歷d慮at懼a飲is逃r辨ec表ei駕ve洪d呆byhe驚re駛w怠hi哀ch間m舟on迎it條or創(chuàng)s衡ea久chmi轟cr制op倘ho飄ne茶c忠ha童nn適el呆i從nre示al鞋t認im少efo綁rth麗e恭pr夫es南en陽ceofsp倦ec偵if貞ic朵a汪co薪us民ti嫂cev姥en溝ts嶼.Pr項es編en傘tsth頭e柱re慎al品t危im健e待ev琴en世t生da蹦ta潮t營o順th弱e球op耍er坑at禁or經(jīng)i流na臉cl兆ea剩ran卷d旋in勺tu增it椒iv級e秤ma追nn衫er汗w耳he菠re憐c侮la浸ss可if良ie慨d嚇al適er曉ts階a踏re矮s朋ho傘wn離o錫n梅ama電p蘭di尊sp塞la巾ywi冶th摧l揪oc摘at縮慧io慰n憐co修or咐di仙na嶼te巖s.PO孕TD褲R擾動顯定位PO叔TD蟻R利用的是魄后向篩散射磨光的埋偏振耐信息燒受外忌界調(diào)籠制產(chǎn)格生變尿化實寄現(xiàn)定測位傳感矮，它框有兩鳥種基責本結(jié)掩構：圖6P-永OT辣DR的兩舉種基本結(jié)構PO誦TD黑R的數(shù)震據(jù)處宣理（1）基于PO羅TD途R的分重布式眉傳感膠有兩敬種數(shù)藏據(jù)處腸理方尚法，蒜一種荒處理摟方法告算法緞簡單妥但是留只能衛(wèi)定位籃第一槐個擾抗動，煩另一利種方帽法可講實現(xiàn)片多點惡定位畢，但含是對麻硬件沖要求雙高，軟數(shù)據(jù)蠅處理冶也相抹對復歉雜。方法1（數(shù)佩據(jù)處冰理簡評單，悔單點遣定位）。連續(xù)采集朽多條背向賀散射武曲線潤，采呈用差販值除爛以信換號本歲身來需調(diào)整加差值素信號鋼使得索調(diào)整百后的勵差值敬信號注在整殊個傳趙感范漫圍內(nèi)基均勻貨分布燒。設x(i)是第i條數(shù)酷據(jù)，悔則調(diào)錄整后尼的差俊值信擋號為[x(i+n)-x(i)]墳/x(i)，得過到的多優(yōu)條差值蓋曲線如圖7所示握，n根據(jù)憑實際迫取值革。圖7呼PO烏TD宵R數(shù)據(jù)尿處理PO彈TD婦R的數(shù)據(jù)移處理奸（2）方法2（數(shù)眠據(jù)處評理復較雜，東多點靜定位稠）。PO屯TD告R多點該定位疤振動指傳感娘器基五于所補得數(shù)滲據(jù)的雕譜分增析，其系聯(lián)統(tǒng)結(jié)膨構如纖圖。圖8P-僚OT騙DR試驗睜框圖PO尿TD銷R的數(shù)據(jù)伶處理陷（3）假設宵每0.謝1m漁s采集泄一次益數(shù)據(jù)削并儲價存，那宵么每印秒得佩到10倡k條數(shù)導據(jù)，板這樣暴可以肌得到讀在某俱一固稿定位子置z1處的毒一條不關于旱時間演的曲神線，鉆如果選此處練出現(xiàn)禍擾動亦，在z1處的隊數(shù)據(jù)芽會在終某一曉固定陷常量顧左右變化簽。圖9跟PO具TD搶R數(shù)據(jù)混譜分避析PO少TD稠R的數(shù)據(jù)諷處理籌（4）對于寸多點入侵塘信號倍，普誘通的轎數(shù)據(jù)仿相減排的方平法不汁再適章用，麗因為物第一所個入遷侵信秧號之煌后的插所有平擾動步都被辯第一燈個擾汁動湮塊沒了票，如醒圖7所示鄭。利用憶譜分趙析的浪方法魔，第驕一個喉擾動博之前衫，沒拜有擾求動事丘件的垂頻譜偽成分差，第標一個例擾動堅之后早第二徐個擾滴動之芳前，顆數(shù)據(jù)逮中出也現(xiàn)第棄一個題擾動腐的頻蝴譜成度分，毯第二猾個擾島動之膛后的附數(shù)據(jù)丹出現(xiàn)港第一錄個和曬第二惜個事扣件的逝頻譜均成分紹，三事個擾環(huán)動事烈件的忌情況蜻類似……這便欣是通睜過PO塘TD插R實現(xiàn)冒多點創(chuàng)入侵隱的基吩本原釘理。拉曼坐散射言分布置式傳謙感器編（RO禽TD噴R）以上腿介紹稀的幾辛種分殊布式拉傳感嫁器雖認然數(shù)鵲據(jù)處氧理方陵法不勺同，譽但都枯是利袖用的屢瑞利祥散射遭光，憤通過使檢測晝?nèi)鹄B散射脈光信指號受稈外界匆調(diào)制孕產(chǎn)生規(guī)的變榮化實冬現(xiàn)分躺布式具傳感童。基于姿拉曼虹散射攏的分偉布式社傳感是器主折要應溉用于挖大范綁圍、覽長距搏離的前溫度附傳感敬。在罩自發(fā)除拉曼燈散射虛中，減可利伴用拉但曼光豎中斯糞托克距斯部童分與敏反斯嗓托克羊斯部邁分強晃度比撿與溫隸度的歪關系小進行烤傳感血。RO懂TD靠R傳感棒原理拉曼仗散射便光中搬斯托露克斯們光的須光強址與溫則度無檔光，撕而反潔斯托組克斯撇光的難光強培會隨斬溫度戰(zhàn)變化誼。反糊斯托躍克斯嬌光光秒強Ias和斯將托克蠢斯光仁光強Is之比跌與溫辰度的吐關系葡可表袋示為怕：a為與伙溫度則相關歷的系危數(shù)。于是榜通過兇實測柱斯托吵克斯-反斯托技克斯透光強汪之比洲可計胃算出殼溫度您：h:普朗窩克常洞數(shù)c:真空饑光速v0:入射蠻光頻柱率k:波爾穴茲曼先常數(shù)T:絕對農(nóng)溫度RO橋TD幅R溫度濁傳感妨器結(jié)子構實際抗中可瓣用濾老波器坑濾出嗚拉曼鋤光的課斯托地克斯懸部分革與反聰斯托等克斯劣部分仔，然晃后處鳴理所搏得數(shù)芝據(jù)得禿到溫增度。測其基詠本結(jié)之構如船下：圖10斯R請OT雹DR溫度魄傳感另結(jié)構布里沾淵散泳射分概布式獅傳感廢器（BO垃TD至R）布里崗淵散能射的條頻移分騾量由沫聲波沫產(chǎn)生鐘的移副動光酒柵引愚起，干光柵緞以聲田速在燥光纖愚中傳揪播，指且聲盛速與安光纖攤溫度俊和應蜂力有關達，兩個布假里淵刻頻移半分量幻玉均攜柴帶光暈纖局贈部溫沙度與格應力奸信息。散射駱光的布瘋里淵住頻移魄隨溫緩度和處應力跟的變?nèi)娵E圖1的散扁射圖上譜。娃點擊喊進入散射值光譜鈔圖BO衛(wèi)TD法R應變唐測量德原理扣圖布里鉤淵頻移與溫度絲式和應斯變的醒線性籠關系寒。圖11布里豈淵頻極移與撤溫度鐘、應榮力的猾線性喪關系圖12飽B含OT凍DR應變蹲測量搞原理胃圖BO復TD尺R結(jié)構亦圖布里何淵光對時域澤反射睛技術趙利用羅了自繭發(fā)布端里淵沖散射以，與鞠傳統(tǒng)OT乖DR系統(tǒng)用技術徑類似羞，其鄙結(jié)構煤如圖4。布里累淵信慢號比只瑞利晝信號蛇約小原兩個咬數(shù)量疤級，融檢測書比較彈困難糟，故聚使用外部分凍本地與光與瘋散射疼光混后頻的武相干嚴接收濁機測匆量背卵向散得射。圖13扒B纖OT別DR結(jié)構抽圖BO廉TD吊R的周生界入倘侵報餓警系防統(tǒng)報警愚方式葬。先測業(yè)量沒群