分布式光纤应力传感器的设计

基于φ-OTDR的分布式光纤应力传感器设计
学院：理学院
姓名：覃康丛
班级： 09光信息科学与技术2班
学号： 200930461173
指导老师：吴俊芳
要求：
1、采用光纤传感器实现应力的分布式(全分布式或准分布式)测量。

画出原理图，注明所需器件的名字，包括光源、探测器，及其他必要器件，指明每个器件的必要参数。

2、说明测量原理。

包括必要的数学公式、信号的解调方式等。

3、分析传感器的工作特点，如分析传感器的优缺点(文献中常指出优点而不提缺点)？适于测量动态还是静态信号？初始参数如何设置？等。

4、所设计传感器的应用。

基于φ-OTDR的分布式光纤应力传感器
分布式光纤传感技术是把被测量作为光纤位置长度的函数，应用光纤几何上的一维特性在整个光纤长度上对沿光纤几何路径分布的外部物理参量进行测量的技术。

分布式光纤传感技术利用光纤自身集传输和传感为一体的特点，充分体现了光纤分布伸展的优势，提供了同时获取被测物理参量的空间分布状态和随时间变化信息的手段。

分布式光纤传感技术是基于光纤工程中广泛应用的光时域反射（optical time domain reflectometry , OTDR）技术发展起来的一种新型传感技术。

OTDR是光纤分布测量的基础。

1．光时域反射原理
光在光纤中传输会发生散射，包括由光纤折射率变化引起的瑞利散射、光学声子引起的拉曼散射和声学声子引起的布里渊散射三种类型。

瑞利散射是当光波在光纤中传输时，遇到光纤纤芯折射率n在微观上随机起伏而引起的线性散射，是光纤的一种固有特性，瑞利散射其波长不发生变化。

而拉曼散射和布里渊散射是光与物质非弹性散射时所携带出的信息，散射波长相对于入射波长发生偏移。

瑞利散射在整个空间都有分布，其中存在沿光纤轴向向前和向后的散射，我们称沿光纤轴向向后的散射为瑞利后向（背向）散射。

OTDR是基于测量后向瑞利散射光信号的实用化测量仪器。

利用OTDR 可以方便地从单端对光纤进行非破坏性的测量，它能连续显示整个光纤线路的损耗相对于距离的变化。

如图1所示，OTDR 测试是通过将光脉冲注入到光纤中，当光脉冲在光纤内传输时，会由于光纤本身的性质、连接器、接头、弯曲或其它类似的事件而产生散射、反射，其中一部分的散射光和反射光经过同样的路径延时返回到OTDR中。

OTDR根据入射信号与其返回信号的时间差t，很容易推出下式计算出上述事件点的距离:
Z=c∙t 2n
式中c为光在真空中的速度，n为光纤纤芯的有效折射率。

图1
OTDR本身具有分布测量的特点，然而当其用于分布式传感时，灵敏度却很低，因此，在传统的OTDR基础上发展出了基于OTDR结构的分布式光纤传感技术。

其中包括基于拉曼散射的R-OTDR技术，基于布里源散射的B-OTDR技术，基于瑞利散射的偏振光时域反射计P-OTDR技术和相位敏感光时域反射计φ-OTDR技术。

本文主要探讨基于φ-OTDR技术的传感器的设计问题。

2．基于OTDR的分布式光纤应力传感器原理
光纤应力检测是通过光纤在应力作用下发生微弯扰动，根据OTDR工作原理，当光纤某点处存在缺陷或外界扰动引起微弯，其背向散射光强在该处就有一定的衰减，会产生微弯损耗，检测这一损耗大小从而实现对应力的检测。

如图2所示。

图2
设光纤受到微弯扰动（应力变化量）为∆P，光纤微弯变形为∆x，其引起相应的微弯损
耗的变化量为∆α，则有
∆α=f Δα
Δx
∆P
式中fΔα
Δx
为灵敏度系数。

设注入光纤的光脉冲峰值功率为P(0)，则光脉冲沿光纤传输到x处，经过n个应力调制区，在x处得到的背向散光功率P(x)为
P x=P(0)ηexp⁡[−2αx−2(α1+α2+⋯+αn)
式中α为光纤的的衰减系数；η为瑞利背向散射因子；αi为第i个应力调制区引起的衰减量。

第i个调制区的前后x1、x2两点的背向散射光功率P x1、P(x2)为
P x1=P(0)ηexp⁡[−2αx−2(α1+α2+⋯+αi−1)
P x2=P(0)ηexp⁡[−2αx−2(α1+α2+⋯+αi)
可以近似得到
αi≈1
ln⁡
P x1
2
只要测量出P x1、P x2就可以得到αi，从而得到应力变化量∆P。

3.Ф-OTDR的基本原理
与常规OTDR 一样，光脉冲从光纤的一端注入，用光探测器探测背向瑞利散射光，不同的是注入光纤中的光是强相干光。

与常规OTDR一样，Ф-OTDR通过测量注入脉冲与接收到的信号之间的时间延迟来得到扰动位置。

当光纤线路上因为扰动而引起相应位置光纤的折射率等相关参数的变化时，该位置的光相位将发生改变。

我们知道散射光传输到探测器经历的是相位的周期性变化，通过检测变化的干涉结果将得到扰动位置。

图3给出这个过程的示意。

图3
4.基于φ-OTDR的分布式光纤应力传感器设计
传感器原理图如图4所示。

整个系统主要由光纤激光器（Fiber laser）、光调制器（MOD）、EDFA放大器、带通滤波器（BPF）、耦合器（Coupler）、传感光纤、光电探测器（Photodetector）、数据采集中心组成。

激光器发出的连续光经过调制后产生光脉冲，光脉冲被EDFA放大器放大，由带通滤波器滤除噪声，再通过耦合器进入传感光纤。

背向散射光经光电探测器探测并滤波放大后传给数据处理中心（DAC、PC）。

图4
下面我们讨论该系统主要器件及其主要性能参数，数据处理我们在第5节再讨论。

激光器
激光器是φ-OTDR系统中最关键的部件。

与常规的OTDR相比，φ-OTDR需要极窄的线宽和极小的频率漂移。

窄线宽是φ-OTDR系统的关键，是系统能够响应光相位变化的基本条件，且线宽越窄，干涉作用越强，系统的灵敏度就越高，这是区别于OTDR的主要特点之一。

频率漂移会引起φ-OTDR背向散射曲线抖动，使噪声增大，影响传感系统性能。

由于耦合损耗的存在，激光进入光纤之前已经损失了部分功率，因此如果是远距离传感，则需要选择大功率的激光器。

如果对上述条件都要满足，可以选取输出功率≥50mW，线宽≤3KHz，频率漂移1~1.5MHz/min的激光器基本上已经可以。

调制器
系统中使用的探测信号为光脉冲，就必须对光进行调制器。

中等距离传感可以选用电光调制器，可以实现定位为15km以内的分布式传感系统。

声光调制器用于远距离传感，定位范围达到25km以上，但是价格昂贵。

可以根据具体要求选择适合的调制器。

放大器
对于远距离分布式传感，光经调制后为了得到功率补偿，要进行信号放大。

这里我们使用EDFA放大器作为功率放大器。

EDFA具有增益高，噪声低，输出功率高，泵浦效率高等良好特性。

自发辐射是EDFA的主要噪声源，为了降低噪声，可以使用如图5所示的改进型WDM结构。

光信号经过第二第三个WDM结构后（相当于实现了滤波），很大程度的抑制了自发辐射，减少噪声。

图5
另外，敏感光纤可以使用通信用的标准单模光纤，探测器选用高灵敏度的 PIN —FET 组件。

5.数据处理
（1）相位解调原理
两束相干光束同时照射在一光电探测器上，光电流的幅值将与两光束的相位差成函数关系。

两光束的光场相叠加，合成光场的电场分量为
E t=E1sinωt+E2sinωt+φ
式中：E1为参考光束中的光场振幅；
E2为信号光束中的光场振幅；
Φ为干涉光束之间的变光相位差；
ω为光角频率。

光电探测器对合成光束的强度产生响应。

设自由空间的阻抗为Z0，则入射到光电探测器光敏面A0的功率为
p t=E2t∙A0
最终探测信号电流为
其中
探测器响应的是光波在许多周期内测得的平均功率。

考虑到探测器不能响应如此高频的光频变化，上式可以简化为
时上式可可见，通过干涉现象可把光束之间的相位差变化转变为光强变化。

当E1=E2=E
2
进一步化简为
取微分得
上式表明，探测器输出电流变化取决于两光束的初相位φ0和相位变化dφ。

（2）数据采集
单模光纤的后向散射光极其微弱，并且随着光纤通信中继距离的加大，以及光纤生产参数控制越来越好，单模光纤中的后向散射光更加微弱，远端光纤链路上的后向散射光信号通常是淹没在噪声中。

因此必须使用有效的探测方法和信号处理方法，从噪声提取信号，来获得大动态范围，以实现对光纤链路的远距离测量要求。

信号处理与控制电路由激光器的脉冲驱动源、信号放大电路、A／D 转换器、控制单元、显示器等组成。

信号处理通道的带宽对空间分辨率有较大的影响。

因此，系统采用低噪声100M宽带放大器和100M的A／D转换器组成数据采集通道。

用嵌入式CPU板作为控制中心，组成便携式的分布式光纤应力传感器。

光探测方法有直接探测、外差探测、相干外差探测等。

直接探测加数字平均是OTDR数据处理技术中最成熟也是使用最多的方法。

这种方法将单个光脉冲注入被测光纤，多次测量其后向散射功率，然后取平均值，就可以还原埋藏在噪声中的后向散射信号。

用单片机对OTDR中得到的数字化的后向散射信号多次测量累加，然后除以测量次数，就可以实现数字平均。

实验表明，这种方法得出的结果信噪比已经很高，可以获得较大的动态范围。

6.φ-OTDR分布式光纤应力传感器主要性能参数
动态范围
动态范围是系统中非常重要的一个指标，直接决定了系统的测量范围。

动态范围目前还没有一个统一的标准的计算方法，通常定义为：始端的后向散射功率与噪声的峰值功率间的dB差。

如下式描述。

R=1
×10lg
P s0
n
=5lg
P0τη
n
式中，η为后向散射因子，P n表示接收灵敏度，为给出单程动态范围而引入1/2因子。

从中可以看出，要获得大动态范围有三种途径：提高系统的信噪比和入纤光脉冲功率，以及提高接收机的灵敏度。

空间分辨率
空间分辨率，也就是系统的定位精度是系统又一个主要的指标。

空间分辨率指的是系统所能分辨的两个相邻时间点间的最短检测距离。

空间分辨率Δz与探测脉冲的宽度和折射率等参数有关，且有
Δz=cT p 2ηg
其中T p是探测脉冲的宽度，ηg代表群折射率。

目前提高空间分辨率的方法只有调整输入光脉冲宽度来相应的改变空间分辨率。

实验分析表明，空间分辨率与传感距离有着比较重要的关系，可以根据不同的场合来设定相应的空间分辨率，但空间分辨率也不是可以无限制的提高的，在达到某一值后就不能再得到提高。

灵敏度
灵敏度是系统较为关键的参数，它指的是系统对事件的响应能力。

影响系统灵敏度的关键因素包括光源的线宽以及系统所处的环境。

由于OTDR系统采用的是半导体激光器，其线宽很宽，一般达到几GHz到几THz，这样该系统不能响应光相位调制，甚至在OTDR系统中这种相位调制被看作是噪声。

与常规OTDR相比，φ-OTDR有非常窄的线宽，基于此该系统能够响应光相位变化的基本条件，且线宽越窄，干涉作用就越明显，系统的灵敏度就越高。

7.φ-OTDR分布式光纤应力传感器的优点与不足
φ-OTDR分布式光纤应力传感器抗电磁干扰、抗腐蚀、灵敏度高等特点，而且具有隐蔽性好、报警定位精确、数据处理电路相对简单等特点，适合于大范围、长距离实时检测。

由于EDFA放大器的集中式放大，传感光纤前端的信号功率较大，并且在整个传感光纤上信号功率不均衡，从而使φ-OTDR系统存在两个严重问题：
（1）前端容易出现非线性效应，这不仅会干扰传感信号，而且当信号光功率大于光纤布里渊阈值后，信号光会产生受激布里渊效应，信号光在入射端附近功率会急剧下降，能量急剧向布里渊散射光转换，从而使信号传输距离不能得到有效增加。

（2）光纤中功率分布不均衡，使得前后端的传感光纤灵敏度差别很大，并且在同样环境下，前端光纤更容易受环境噪声的影响，尤其是外界噪声变化较大时，后端的扰动信号会被噪声淹没，将会大大降低系统远端性能，增加误报率。

虽然我们使用均衡的方法可以一定程度解决这个问题，但是后端功率太小以后会导致扰动信号的信噪比降低，不易被识别。

这也就是说，如果想实现更长距离的传感，就要求更大输出功率的EDFA放大器，但这也就意味上述两个问题更加严重，同时由于自身存在的ASE噪声，如果将EDFA进行级联或者与其它放大器混合使用，将使得ASE噪声大大增加，削弱远端相干效应。

所以φ-OTDR分布式光纤应力传感器存在传感距离的限制问题。

8.φ-OTDR分布式光纤应力传感器的应用
基于φ-OTDR技术的分布式光纤传感系统作为一种新型的安防监测系统，不仅具有抗电磁干扰、抗腐蚀、灵敏度高等特点，而且具有隐蔽性好、报警定位精确、数据处理电路相对简单等特点，使得它在军事基地、国界、核设施、水电站及监狱等的安全监测方面得到十足广泛的应用，非常有发展前景。

参考文献：
1.《Optical Fiber Communications》(Third Edition) Gerd Keiser
2.《传感器原理》（第三版）田裕鹏姚恩涛李开宇科学出版社
3.《基于光时域反射法的分布式光纤应力传感器》（2005）刘长华徐亚军。