分布式光纤传感器

分布式光纤传感器

2021/6/271分布式光纤传感器分布式传感器可以准确测量光纤沿线上任意一点上的应力、温度、振动等信息。光纤周界安防系统主要基于分布式光纤振动传感器。将光纤固定于需要传感的围栏上，当有外界入侵时，光纤中的传感信号受到入侵信号的调制而发生变化，通过分析这个变化就得到入侵的具体位置，从而实现分布式入侵检测。分布式传感主要是后向散射类传感，这又包括时域和频域分析，本报告主要讨论时域散射类传感。2021/6/272光纤中的散射信号光纤中的散射信号主要包括三类：瑞利散射，由折射率起伏引起；拉曼散射，由光学声子引起；布里渊散射，由声学声子引起。其散射光谱图入下：图1散射光谱图2021/6/273OTDR技术散射类光纤传感主要运用OTDR技术实现，此技术通过向光纤中注入光脉冲并接收光纤内的后向散射光实现传感，外部事件会对后向散射光的幅度、相位、波长（频率）和偏振态产生影响，利用入射信号与返回信号的时间差可得出事件点与OTDR的距离：

其中c：真空光速；n：折射率；τ：时延。2021/6/274OTDR技术的空间分辨率基于OTDR技术的传感器均有类似的空间分辨率，其表达式如下：其中c：真空光速；n：折射率；T：脉冲宽度。图2空间分辨率示意图2021/6/275瑞利散射分布式传感基于瑞利散射的传感技术主要有以下几类：普通OTDR；相位敏感OTDR（φ-OTDR）；相干OTDR（COTDR）；偏振OTDR（POTDR）。2021/6/276普通OTDR用于光纤测试普通的OTDR一般用来检测光纤中的熔接点、连接器的损耗和位置，技术已经十分成熟，它利用的是瑞利散射光。图3OTDR用于光纤测试2021/6/277相位敏感OTDR（φ-OTDR）把普通OTDR的光源换成窄线宽激光器，则可用来实现对外界微扰的分布式定位，这便是φ-OTDR，它利用的仍旧是瑞利散射光，但由于光源相干性提高，散射光受到外界干扰后相位发生变化导致幅度也发生较大变化，通过检测幅度的畸变点便实现了分布式测量。2021/6/278φ-OTDR扰动定位φ-OTDR灵敏度高并且可以实现多点扰动定位，但是由于对激光器线宽要求很高(kHz)，导致成本很高。图4φ-OTDR扰动定位2021/6/279COTDR相干检测扰动定位通过相干检测技术可以大幅度提高φ-OTDR的信噪比，通过相干技术实现φ-OTDR解调的方法叫做COTDR，其系统搭建图如下所示。图5相干检测OTDR2021/6/2710COTDR实例英国OptaSense公司的分布式光纤声学传感器(DAS)。InterrogatorUnitSendaconditionedpulseoflightintothefibretocreatevirtualmicrophones.ProcessingUnitUserInterfaceTheacousticdataisreceivedbyherewhichmonitorseachmicrophonechannelinrealtimeforthepresenceofspecificacousticevents.Presentstherealtimeeventdatatotheoperatorinaclearandintuitivemannerwhereclassifiedalertsareshownonamapdisplaywithlocationcoordinates.2021/6/2711POTDR扰动定位POTDR利用的是后向散射光的偏振信息受外界调制产生变化实现定位传感，它有两种基本结构：图6P-OTDR的两种基本结构2021/6/2712POTDR的数据处理（1）基于POTDR的分布式传感有两种数据处理方法，一种处理方法算法简单但是只能定位第一个扰动，另一种方法可实现多点定位，但是对硬件要求高，数据处理也相对复杂。方法1（数据处理简单，单点定位）。连续采集多条背向散射曲线，采用差值除以信号本身来调整差值信号使得调整后的差值信号在整个传感范围内均匀分布。设x(i)是第i条数据，则调整后的差值信号为[x(i+n)-x(i)]/x(i)，得到的多条差值曲线如图7所示，n根据实际取值。图7POTDR数据处理2021/6/2713POTDR的数据处理（2）方法2（数据处理复杂，多点定位）。POTDR多点定位振动传感器基于所得数据的谱分析，其系统结构如图。图8

P-OTDR试验框图2021/6/2714POTDR的数据处理（3）假设每0.1ms采集一次数据并储存，那么每秒得到10k条数据，这样可以得到在某一固定位置z1处的一条关于时间的曲线，如果此处出现扰动，在z1处的数据会在某一固定常量左右变化。图9POTDR数据谱分析2021/6/2715POTDR的数据处理（4）对于多点入侵信号，普通的数据相减的方法不再适用，因为第一个入侵信号之后的所有扰动都被第一个扰动湮没了，如图7所示。利用谱分析的方法，第一个扰动之前，没有扰动事件的频谱成分，第一个扰动之后第二个扰动之前，数据中出现第一个扰动的频谱成分，第二个扰动之后的数据出现第一个和第二个事件的频谱成分，三个扰动事件的情况类似……这便是通过POTDR实现多点入侵的基本原理。2021/6/2716拉曼散射分布式传感器（ROTDR）以上介绍的几种分布式传感器虽然数据处理方法不同，但都是利用的瑞利散射光，通过检测瑞利散射光信号受外界调制产生的变化实现分布式传感。基于拉曼散射的分布式传感器主要应用于大范围、长距离的温度传感。在自发拉曼散射中，可利用拉曼光中斯托克斯部分与反斯托克斯部分强度比与温度的关系进行传感。2021/6/2717ROTDR传感原理拉曼散射光中斯托克斯光的光强与温度无光，而反斯托克斯光的光强会随温度变化。反斯托克斯光光强Ias和斯托克斯光光强Is之比与温度的关系可表示为：

a为与温度相关的系数。于是通过实测斯托克斯-反斯托克斯光强之比可计算出温度：h:

普朗克常数c:

真空光速v0:

入射光频率k:

波尔兹曼常数T:

绝对温度2021/6/2718ROTDR温度传感器结构实际中可用滤波器滤出拉曼光的斯托克斯部分与反斯托克斯部分，然后处理所得数据得到温度。其基本结构如下：图10ROTDR温度传感结构2021/6/2719布里渊散射分布式传感器（BOTDR）布里渊散射的频移分量由声波产生的移动光栅引起，光栅以声速在光纤中传播，且声速与光纤温度和应力有关，两个布里渊频移分量均携带光纤局部温度与应力信息。散射光的布里渊频移随温度和应力的变化见图1的散射图谱。点击进入散射光谱图2021/6/2720BOTDR应变测量原理图布里渊频移与温度和应变的线性关系。图11布里渊频移与温度、应力的线性关系图12BOTDR应变测量原理图2021/6/2721BOTDR结构图布里渊光时域反射技术利用了自发布里渊散射，与传统OTDR系统技术类似，其结构如图4。布里渊信号比瑞利信号约小两个数量级，检测比较困难，故使用部分本地光与散射光混频的相干接收机测量背向散射。图13BOTDR结构图2021/6/2722