分布式光纖傳感器

分布式光纖傳感器

2021/6/271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。2021/6/272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2021/6/273OTDR技術(shù)散射類光纖傳感主要運用OTDR技術(shù)實現(xiàn)，此技術(shù)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。2021/6/274OTDR技術(shù)的空間分辨率基于OTDR技術(shù)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2021/6/275瑞利散射分布式傳感基于瑞利散射的傳感技術(shù)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）。2021/6/276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(shù)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2021/6/277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。2021/6/278φ-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2021/6/279COTDR相干檢測擾動定位通過相干檢測技術(shù)可以大幅度提高φ-OTDR的信噪比，通過相干技術(shù)實現(xiàn)φ-OTDR解調(diào)的方法叫做COTDR，其系統(tǒng)搭建圖如下所示。圖5相干檢測OTDR2021/6/2710COTDR實例英國OptaSense公司的分布式光纖聲學傳感器(DAS)。InterrogatorUnitSendaconditionedpulseoflightintothefibretocreatevirtualmicrophones.ProcessingUnitUserInterfaceTheacousticdataisreceivedbyherewhichmonitorseachmicrophonechannelinrealtimeforthepresenceofspecificacousticevents.Presentstherealtimeeventdatatotheoperatorinaclearandintuitivemannerwhereclassifiedalertsareshownonamapdisplaywithlocationcoordinates.2021/6/2711POTDR擾動定位POTDR利用的是后向散射光的偏振信息受外界調(diào)制產(chǎn)生變化實現(xiàn)定位傳感，它有兩種基本結(jié)構(gòu)：圖6P-OTDR的兩種基本結(jié)構(gòu)2021/6/2712POTDR的數(shù)據(jù)處理（1）基于POTDR的分布式傳感有兩種數(shù)據(jù)處理方法，一種處理方法算法簡單但是只能定位第一個擾動，另一種方法可實現(xiàn)多點定位，但是對硬件要求高，數(shù)據(jù)處理也相對復雜。方法1（數(shù)據(jù)處理簡單，單點定位）。連續(xù)采集多條背向散射曲線，采用差值除以信號本身來調(diào)整差值信號使得調(diào)整后的差值信號在整個傳感范圍內(nèi)均勻分布。設x(i)是第i條數(shù)據(jù)，則調(diào)整后的差值信號為[x(i+n)-x(i)]/x(i)，得到的多條差值曲線如圖7所示，n根據(jù)實際取值。圖7POTDR數(shù)據(jù)處理2021/6/2713POTDR的數(shù)據(jù)處理（2）方法2（數(shù)據(jù)處理復雜，多點定位）。POTDR多點定位振動傳感器基于所得數(shù)據(jù)的譜分析，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖。圖8

P-OTDR試驗框圖2021/6/2714POTDR的數(shù)據(jù)處理（3）假設每0.1ms采集一次數(shù)據(jù)并儲存，那么每秒得到10k條數(shù)據(jù)，這樣可以得到在某一固定位置z1處的一條關(guān)于時間的曲線，如果此處出現(xiàn)擾動，在z1處的數(shù)據(jù)會在某一固定常量左右變化。圖9POTDR數(shù)據(jù)譜分析2021/6/2715POTDR的數(shù)據(jù)處理（4）對于多點入侵信號，普通的數(shù)據(jù)相減的方法不再適用，因為第一個入侵信號之后的所有擾動都被第一個擾動湮沒了，如圖7所示。利用譜分析的方法，第一個擾動之前，沒有擾動事件的頻譜成分，第一個擾動之后第二個擾動之前，數(shù)據(jù)中出現(xiàn)第一個擾動的頻譜成分，第二個擾動之后的數(shù)據(jù)出現(xiàn)第一個和第二個事件的頻譜成分，三個擾動事件的情況類似……這便是通過POTDR實現(xiàn)多點入侵的基本原理。2021/6/2716拉曼散射分布式傳感器（ROTDR）以上介紹的幾種分布式傳感器雖然數(shù)據(jù)處理方法不同，但都是利用的瑞利散射光，通過檢測瑞利散射光信號受外界調(diào)制產(chǎn)生的變化實現(xiàn)分布式傳感?；诶⑸涞姆植际絺鞲衅髦饕獞糜诖蠓秶?、長距離的溫度傳感。在自發(fā)拉曼散射中，可利用拉曼光中斯托克斯部分與反斯托克斯部分強度比與溫度的關(guān)系進行傳感。2021/6/2717ROTDR傳感原理拉曼散射光中斯托克斯光的光強與溫度無光，而反斯托克斯光的光強會隨溫度變化。反斯托克斯光光強Ias和斯托克斯光光強Is之比與溫度的關(guān)系可表示為：

a為與溫度相關(guān)的系數(shù)。于是通過實測斯托克斯-反斯托克斯光強之比可計算出溫度：h:

普朗克常數(shù)c:

真空光速v0:

入射光頻率k:

波爾茲曼常數(shù)T:

絕對溫度2021/6/2718ROTDR溫度傳感器結(jié)構(gòu)實際中可用濾波器濾出拉曼光的斯托克斯部分與反斯托克斯部分，然后處理所得數(shù)據(jù)得到溫度。其基本結(jié)構(gòu)如下：圖10ROTDR溫度傳感結(jié)構(gòu)2021/6/2719布里淵散射分布式傳感器（BOTDR）布里淵散射的頻移分量由聲波產(chǎn)生的移動光柵引起，光柵以聲速在光纖中傳播，且聲速與光纖溫度和應力有關(guān)，兩個布里淵頻移分量均攜帶光纖局部溫度與應力信息。散射光的布里淵頻移隨溫度和應力的變化見圖1的散射圖譜。點擊進入散射光譜圖2021/6/2720BOTDR應變測量原理圖布里淵頻移與溫度和應變的線性關(guān)系。圖11布里淵頻移與溫度、應力的線性關(guān)系圖12BOTDR應變測量原理圖2021/6/2721BOTDR結(jié)構(gòu)圖布里淵光時域反射技術(shù)利用了自發(fā)布里淵散射，與傳統(tǒng)OTDR系統(tǒng)技術(shù)類似，其結(jié)構(gòu)如圖4。布里淵信號比瑞利信號約小兩個數(shù)量級，檢測比較困難，故使用部分本地光與散射光混頻的相干接收機測量背向散射。圖13BOTDR結(jié)構(gòu)圖2021/6/2722