分布式传感器

FBG型分布式传感系统拉曼（Raman）型分布式传感系统布里渊（Brillouin）型分布式传感系统分布式光纤传感系统OTDR技术用于分布检测光纤传感技术在分布测量中的应用

（时域变换技术）光纤S1T1S2T2S3T3SnTn只需在光纤一端测量，应用方便

假设入射光脉冲宽度为T、功率为P(0)，这束光脉冲以群速度Vg在光纤中传播，假设耦合进光纤中的光功率为

P0,考虑沿光纤轴线上任一点

Z,设该点距入射端的距离为

z,那么该点的光功率为：])(exp[)0()(dxxPzPf-=a式中，是光纤前向衰减系数。若光在

Z点被散射,那么该点的背向散射光返回到达入射端时的光功率为：)(xfa式中，S(z)是光纤在

Z点的背向散射系数

,S(z)具有方向性;

是光纤背向衰减系数。)(xba（3）（4）将

(3)式代入

(4)可得：（5）

考虑光纤中有

2点

Z1和

Z2,其距入射端的距离分别为

z1和

z2(z2>z1),这

2点的背向散射光到达输入端时为

PS(z1)和

PS(z2),则由

(5)式得：

（6）对上式两边取对数得：

（7）一般认为光纤的损耗和光纤的结构参数沿轴向近似均匀

,即认为前向衰减系数和背向衰减系数不随长度z而变,有,并认为背向散射系数也不随长度而变

[即

S(z1)≈(S(z2)],则

Z1

和

Z2

两点间平均损耗系数为：（8）式中的PS(z1)和

PS(z2)的值可以从OTDR显示屏上的连续背向散射轨迹的幅度得到,进而可求出平均损耗系数α。与距离有关的信息是通过时间信息而得到的，OTDR测量发出脉冲与接收后向散射光的时间差,利用折射率ｎg值将这一时域信息转换成距离：)](zfa)(zb[a+a≈1/2（9）其中ｃ为光在真空中的速度

(3×108ｍ/ｓ)

光源光探测器信号处理光放大器Y分支器被测光纤

示波器将被测光纤接入测量系统测量双向背向散射损耗得到光纤长度Z测量过程美国贝尔通讯研究中心定义了两种死区：（1）衰减死区从反射点开始到接收机恢复到后向散射电平约0.5dB的范围内的这段距离。也就是OTDR能再次测试损耗和衰减的点。（2）事件死区从OTDR接收到的反射点开始，到OTDR恢复到最高反射点1.5dB以下这段距离。在这以后才能发现是否还有地二个反射点，但还不能测试损耗和衰减。AdBL(km)反射接点终端菲涅尔反射端面反射与背向散射影响无反射损耗点或故障点熔接点无反射增益点噪声OTDR测量结果的意义OTDR测量结果的意义1.5dB0.5dB事件死区衰减死区死区的大小与脉冲宽度、反射系数、损耗等因素有关。脉宽越短

,盲区越小

,但短脉冲同时又减小了动态范围

,因此要在盲区和动态范围之间折衷选择脉宽。1、死区2、反射事件与非反射事件：如图1所示

3、动态范围动态范围是OTDR主要性能指标之一，它决定光纤的最大可测量长度。OTDR的动态范围定义为：始端后向散射电平与噪声之间的dB差。

CompanyLogo应用光纤断点、光纤接头松动点的查找测量光纤长度测量光纤总损耗、平均损耗测量连接器的平均损耗1234测量连接器的回波损耗5

拉曼、布里渊散射（非弹性散射）斯托克斯—拉曼散射l

大反斯托克斯—拉曼散射l

小布里渊散射:晶体中的声波参与了能量交换.斯托克斯-拉曼散射

RS布里渊散射

BS弹性散射布里渊散射

BS反斯托克斯-

拉曼散射

RS弹性散射(d)RSRSBSBS(a)(b)(c)非弹性散射SiO2

1.32*1012Hz10～20GHz线宽(约50MHz)。

光纤中的背向散射光ROTDR时域背向拉曼散射分布式光纤传感器当光纤局域位置(L=Lo处)的温度变化时，调制了光纤拉曼散射光子通量，也就是光纤拉曼背向散射的温度调制机理。反斯托克斯拉曼散射对温度的敏感系数比斯托克斯拉曼散射要大得多。因此通常都将反斯托克斯拉曼散射用作信号通道，作为计算温度的主要依据。30km的FGC-30拉曼测温系统，其空间分辨率为3m、温度分辨率为0.1℃、测温范围为0～+100℃测温原理Is斯托克斯光光强反斯托克斯光光强温度变化斯托克斯光：波长大于入射光反斯托克斯光：波长小于入射光测温原理：Ias/Is＝ae-kcv/kTIasIs不变Ias变化同步控制光源恒温耦合器耦合器滤波器滤波器探测器数据采集与处理后台控制StokesAnti-Stokes传感光纤测温区域拉曼散射强度比瑞利散射强度低20~30dBm，要求脉冲峰值功率很高；拉曼散射只受到环境温度的影响，而对应力变化不敏感；相对基于喇曼散射的传感系统来说，基于布里渊散射的传感系统：1）它能同时对温度和应力进行探测；2）探测作用距离远，能达到100公里，空间分辨率达到5米；3）成本费用低。散射产生的物理原因温度和光纤应变都会造成布里渊频率的线性移动,所以可表示为

fB=fB0+fTT(℃)+fεε(με)

布里渊功率随温度的上升而线性增加,随应变增加而线性下降.布里渊功率为

PB=PB0+PTT(℃)+Pεε(με)BOTDR光时域背向布里渊散射

分布式光纤传感器通过测量布里渊频移和布里渊散射的光功率，就可以求得被测量点的温度和应力的大小。

对于温度的布里渊频移系数是1.22M/度（1310）、1M/度（1550），而对于应力是581M/%（1310）、493M/%（1550）。温度的影响较小。光源耦合器差分探测数据采集与处理传感光纤测温区域BOTDR技术用于分布检测BOTDR光纤S1T1S2T2S3T3SnTn只需在光纤一端测量，应用方便

缺点测应力581M/%（1310）、493M/%（1550）功率小，难检测应力：物体由于外因(受力、温度场变化等)而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位置。应变：用以描述一点处变形的程度的力学量是该点的应变。光源耦合器差分探测数据采集与处理传感光纤测温区域探测光源BOTDA检测30km光纤沿线的应变，·空间分辨力可达1m。·应变精度:20μe(0.002%)

·温度精度:1°C·取样时间:20s至5min(2min典型值)应用场合优点缺点OTDR断点、损伤检测连续显示衰减情况有盲区BOTDR应力、温度测量精度和分辨率高要求极窄线宽、可调线宽激光器；交叉干扰；功率低BOTDA应力、温度测量精度和分辨率高，大动态范围系统复杂；两端测量；不能检测断点；交叉干扰ROTDR温度较高测温精度返回的信号弱，大功率光源拉曼时域法拉曼频域法布里渊时域法布里渊频域法三种分布式光纤温度传感器参数比较传感类型工作带宽测量时间高速采样信号处理光源空间分辨率温度分辨率传感距离宽短需要简单几百nW1130窄长不需要复杂几百nW1110宽短需要简单几十nW1111窄长不需要复杂几十nW1111①需要激光器的输出稳定、线宽窄，对光源和控制系统的要求很高；②由于布里渊频移对温度的变化也较敏感，因此，还需要考虑如何将拉伸应变引起的频移与温度引起的频移区分开来．

BOTDR的缺点

光纤相位传感器要求有相应的干涉仪来完成相位检测过程。对于一个相位调制干涉型光纤传感器，敏感光纤和干涉仪缺一不可。敏感光纤完成相位调制任务，干涉仪完成相位—光强的转换任务。光纤相位传感器干涉型光纤传感器相位调制当光纤受到纵向(轴向)的机械应力作用时，光纤的长度、芯径、纤芯折射率都将发生变化，这些变化将导致光波的相位变化.光的干涉光的干涉条件：

相干光源S1、S2发出的光波在空间P点相遇，两列波在P点的干涉本质上是两个同方向、同频率的电磁简谐振动的叠加。相干条件：①频率相同②振动方向相同③相位差恒定根据叠加原理，P点的合振动为P点的合振动也是一个简谐振动，其振动频率和振动方向都与两单色光波相同，振幅和初相位分别由上式决定。原始信号与不同幅度调制信号比较401.主动式同步解调（activehomodyne）2.被动式同步解调（passivehomodyne）3×3对