分布式光纤传感技术
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·相同的应用，Delepine-Lesoile 釆用BOTDR和Optical Frequency Domain Reflectometery （OFDA）技术进行了地表塌陷的模拟试验，两者均能感应 塌陷的发生，但OFDR具有更高的灵敏度。
·张俊义将传感光纤埋入混凝土格构和贯穿于滑体得水泥阶路，构成分布式 光纤监测网，采用AQ8603测试了三峡巫山残联滑坡的变形，依据监测结果对 光纤种类、铺设方式、空间分辨率、监测周期、温度补偿等关键问题进行了 解释和思考。
3.2 道路交通
3.2.2在铁道灾害防治中的应用
分布式光纤布里渊应力传感器。这种传感器利用光纤中的背向布里渊散 射进行测量，可以同时测量光纤沿线的温度和应力情况，并且可以精确 定位测量点的位置。将这种光纤固定山体上的锚杆中，当山体发生滑坡 时，碎石带动锚杆移动，从而拉扯光纤产生应力。根据散射光的强度和 返回时间，即可知道山体滑坡发生的地点。该传感器只需要使用普通光 纤，成本较为低廉，同时其测量范围远远大于光纤光栅传感器，可以达 到几公里甚至几十公里。
）。
2.1.4 基于自发布里渊散射的光时域反射型（BOTDR）传感器
·在BOTDR中测量的是布里渊散射信号与布里渊散射光频率相关的光纤材料特 性主要受温度和应变的影响，因此，通过测定脉冲光的后向布里渊散射光的频 移就可实现分布式温度、应变测量。
2.1.5 基于受激布里渊效应的传感器
（1）基于 BOTDA 的分布式光纤传感技术 ·基于微波外调制的单激光器环形BOTDA系统，用耦合器将光源分为两路 或者根据需要将2根光纤对来实现单端入射，以此简化设备，减少测量时 间，并能达到较高的测量精度。
3.1 电力工业
高压电气设备中由于微波和电磁干扰的影响，传统的测温方法难 于或者根本无法得到真实的测试结果。而分布式光纤温度传感器 与传统的各类温度传感器相比，其具有一系列独特的优点：使用 光纤作为传输和传感信号的载体，有效克服了电力系统中存在的 强电磁干扰； 利用一根光纤为温度信息的传感和传导介质，可以 测量沿光纤长度上的温度变化等。
采用分布式光纤传感器对输电线路进行温度测量在国外 已经得到广泛应用，而国内也在积极地开展这方面的研究 工作，分布式光纤传感器在输电环节的另一种应用，则是 对输电线路的塔、线的结构健康监测，尤其是监测输电塔 、线在恶劣环境(覆冰、大风、高低温等)下的受力情况，确 保电力系统的安全可靠运行，这方面的研究处于起步阶段 。
·钱振东为验证BOTDA测试莉青混凝土铺装层裂缝的可行性，进行了光纤抗 压、温度交变及裂缝模拟试验，比选了裸光纤和紧套光纤的抗压及裂缝监测 能力，建立了布里渊频移和裂缝宽度之间的关系，应用表明BOTDA对实际路 面温度、残佘变形和裂缝监测具有很高的测量精度和稳定性。
·岩土工程方面
·Klar提出釆用分布式光纤构件监测网，自动检测隨道开挖过程造成的扰动 、沉降等现象，并进行了室内模拟试验；
·基于光纤干涉仪的准分布式光纤传感技术 ·基于FBG的准分布式光线传感技术
2.分布式光纤传感技术国内外研究现状
·在试验室研究方面 ·海底管道、输油、输气方面 ·桥梁、隨道、道路等交通工程方面 ·岩土工程方面
·在试验室研究方面
·吴智深对基于BOTDR的光纤变形检出特性进行了试验研究，包括光纤拉伸 和压缩试验，有利于理解光纤所测应变数据的意义。
3.2.1在列车温度测量方面的应用
列车车厢防火监控列车需要对车厢中的温度进行测量，以 达到防火监控的目的。目前列车上主要使用烟雾报警器和红 外报警器来进行防火监控，但这类系统存在两个方面的问题 ：一是它们只能在火灾发展到明火阶段后才能发现，无法将 火灾消灭在隐患阶段；二是它们的可靠性较差，常发生误报 ，例如乘客在车上吸烟时就会触发烟雾报警器。
3. 分布式光纤传感技术的应用
· 电力工业 · 道路交通 · 工程应用
·安防 ·石油工业 ·复合材料
3.1 电力工业
智能电网的基本特征就是信息化、自动化和互动化 ，要实现这一目标，作为信息采集的关元器件，传感器 是不可或缺的，而光纤传感器由于其自身的优点，必将 在电力系统中获得广泛的应用。
3.1 电力工业
·准分布式光纤传感器
准分布式光纤传感器是把空间上呈一定规则分布的相同调制类型的光纤传感器耦合 到一根或者多根光纤总线上，通过寻址、解调，检测出被测量的大小及空间分布， 光纤总线仅起到传光作用。
1.1 光纤基础知识
·光纤是光导纤维的简称，是一种重要和常用的波导材料 ，它利用光的全反射原理将光波能量约束在其界面内，并 引导光波沿光纤轴线方向传播。
分布式光纤原理及其应用研究
汇报小组：第三组 小组成员：崔 瑛 闫常弘 刘婷婷
周明军 孙 鹏 吴 俊殷娜严 晨 汇 报 人：严 晨
目录
1 分布式光纤传技术的原理. 2 分布式光纤技术国内外研究现状 3 分布式光纤传感技术的应用
1.分布式光纤传感技术原理
·全分布式光纤传感器
全分布式光纤传感器是利用一根光纤作为延伸的传感元件，光纤上的任意一段既是传 感单元，又是其他传感单元的信息传输通道，因而可获得被测量沿此光纤在空间和时 间上变化的分布消息。
2.1.1 基于OTDR的微弯传感器
·1997年Barnoski 博士首先提出了光时域反射技术OTDR（ Optical Time Domain Reflection）技术，结合瑞利散射来检测 光纤沿线故障检测 ·微弯型光纤传感器是根据光纤微弯形变引起纤芯或包层中传输 的光载波强度变化的原理制成的全光纤型传感器。
（2）基于 BOFDA 的分布式光纤传感技术
·BOFDA 是基于测量光纤的传输函数实现对测量点定位的一种传感 方法。这个传输函数把探测光和经过光纤传输的泵浦光的复振幅与 光纤的几何长度关联起来，通过计算光纤的冲击响应函数确定沿光 纤的应变和温度信息。
（3）基于 BOCDA 的分布式光纤传感技术
BOCDA 技术采用频率调制的连续泵浦光和探测光并求两者相关函数， 是一种可大大提高分布式光纤传感系统空间分辨率的技术方案，其实验 系统的空间分辨率理论上可达到毫米量级。
2.1.2 基于自发拉曼散射的光时域散射型（ROTDR）传感器
在由任于何拉分曼子散介射质由中分，子光热通运过动介引质起 ，时所由以于拉入曼射散光射与光分可子以运携动带相散互射作点 的用温会度引信起息频，率而发且生反变斯化托的克散斯射光称的 幅为度拉强曼烈散依射赖。于分温子度吸，收而频斯率托为克斯 光V则0的不光是子，，所发以射可V通0-过Vi测的量光斯子托，克 斯同光时与分反子斯从托低克能斯态光跃的迁功到率高比能探态测 温（度对的应变为化斯，托其克结斯果光消）除；了分光子源吸波 动收、频光率纤为弯V曲0的等光因子素，的发影射响V，0+只V与i 沿间的 到光保光低纤证子能的测，态温温同（度精时 对场度分应有。子为关从反，高斯因能托此态克可跃斯长迁光时
·相位敏感性（Φ -OTDR）与传统型OTDR最大的不同就是采用了相干光源， 并且要求光源具有窄线宽和低频率漂移特性。
2.2 长距离干涉传感技术
干涉技术最大的优点是干涉检测的灵敏度极高，光纤本身既是传输 媒质又是感知元件，光纤上任意一点都是传感单元，能够实现“海量”检 测，是一种真正意义上的全分布式光纤传感器。同时相比于后向散射型 分布式传感器，干涉仪探测正向传输光信号变化的方向发展，因此测量 信噪比和准确率都高得多，传感距离也长得多，数据处理简单，实时性 好。干涉仪不仅适合测量静态、半动态信号，更适合于动态信号的检测 。
3.3 工程应用
分布式光纤传感技术 后向瑞利散射
优缺点
应用
成本低、测量精度低、传感距离短
应用最早，目前研究甚少 周界入侵、振动监测
自发拉曼散射
空间分辨力1 m、温度分辨率 1 oC 、 目前已成熟，建筑物渗漏、
测量范围4~8 km,成本适中
火灾情况
布里渊散射 前向传输模耦合
测量精度高、传感长度长达51 km、 空间分辨率0.5 m、成本高
谢谢观看
2019/9/18
optical fiber
知识回顾 Knowledge Review
放映结束 感谢各位的批评指导！
谢 谢！
让我们共同进步
光波所为国庆60周年通州阅兵村提供的 光缆预警系统采用的就是分布式光纤传感技术
3.4 石油工业领域
·光纤传感器在测井中的应用 1、随钻测量 2、井下温度监控 3、井下压强监控 4、井下含水量监控
·管道监测
小组分工
分布式光纤传感技术原理： 闫常虹 崔 瑛 刘婷婷
国内外发展现状： 孙 鹏 周明军
分布式光纤传感技术应用： 吴 俊殷 娜严 晨
传感光纤两端分别入射连续 探测光和连续泵浦光，这两 束同步调制光在一个正弦波 上产生一个相关的周期峰， 并在光电检测器上接收锁相 放大器的同步信号。
2.1.7基于相位敏感的光时域反射型（Φ -OTDR）传感器
·在OTDR系统中，如果光源的线宽足够窄，相干度很高，那么从光纤的不 同部分返回的散射光会发生干涉。利用这种散射光的相干性设计出的相位 敏感型光时域反射系统，可以探测出传统OTDR系统无法察觉的弱信号的干 扰。
广泛关注与研究 长距离分布式应力监测、
大中型建筑工程、 长期稳定性监测
理论上可得极高分辨率、原理简单、 实现困难
目前暂无工程应用
3.3.1管道监测
3.3.2结构健康检测
3.4 周界安防
根据防范的不同场合和要求， 光纤可以构成各种形状，环 置于需要防范的周界处的适 当位置，当入侵者侵入时， 系统都会发出告警信号
监测中心通过以太网与监测 站连接， 以太网 提供监测中 心与监测站间的命令和数据 传送通 道。 监测中心主要负 责对本管区监测站进行管理 ， 由监测中心向监测站发送 命令，监测站启动 BOT-DR 设 备对光缆进行监测，并将监 测数据回传给监 测中心，供 维护人员进行管理或维护。
3.2 道路交通
·Akiyoshi等人将技术应用于2000年美洲杯帆船赛的曰本队帆船优化设计中， 通过测试数据评估了曰本队帆船的完整性和受力作用下的响应。
·Pamukcu设计了基于布里渊散射的含水量光纤传感器，采用亲水聚合物作 为含水量的传感元件，并将其仅仅缠绕在光纤周围，水分变化将引起聚合 物膨胀或收缩，从而产生光纤应变，其值变化反应了含水量变化过程。
·在将光纤作为传感材料应用前，需掌握光纤： 1.结构特性 2.机械特性 3.损耗等特性
2.1 基于光纤后向散射的全分布式光纤传感技术
依据所监测信号的不 同，主要分为基于拉曼（ Roman）散射的分布式温 度传感器、基于瑞利（ Rayleigh ）散射的分布式 光纤损耗检测传感器及基 于布里渊散射（Brillouin ）的分布式应变传感器。
·海底管道、输油、输气方面
·Li等人依据海底管线监测的技术要求，如可实现长距离、小空间分 辨率、大变形、多参量测试等，设计了试验方案分别模拟了室温、高 温下管道的拉伸及弯曲破坏，并采用分布式光纤传感器（DTSS系统） 测试了管道应变·
·桥梁、隨道、道路等交通工程方面
·Zhang建造于199பைடு நூலகம்年的沪宁高速某桥梁的破坏性试验进行分布式应变监测 ，应用测试的应变场对桥梁损伤进行了时域和空间域的分析和判断。
·张俊义将传感光纤埋入混凝土格构和贯穿于滑体得水泥阶路，构成分布式 光纤监测网，采用AQ8603测试了三峡巫山残联滑坡的变形，依据监测结果对 光纤种类、铺设方式、空间分辨率、监测周期、温度补偿等关键问题进行了 解释和思考。
3.2 道路交通
3.2.2在铁道灾害防治中的应用
分布式光纤布里渊应力传感器。这种传感器利用光纤中的背向布里渊散 射进行测量，可以同时测量光纤沿线的温度和应力情况，并且可以精确 定位测量点的位置。将这种光纤固定山体上的锚杆中，当山体发生滑坡 时，碎石带动锚杆移动，从而拉扯光纤产生应力。根据散射光的强度和 返回时间，即可知道山体滑坡发生的地点。该传感器只需要使用普通光 纤，成本较为低廉，同时其测量范围远远大于光纤光栅传感器，可以达 到几公里甚至几十公里。
）。
2.1.4 基于自发布里渊散射的光时域反射型（BOTDR）传感器
·在BOTDR中测量的是布里渊散射信号与布里渊散射光频率相关的光纤材料特 性主要受温度和应变的影响，因此，通过测定脉冲光的后向布里渊散射光的频 移就可实现分布式温度、应变测量。
2.1.5 基于受激布里渊效应的传感器
（1）基于 BOTDA 的分布式光纤传感技术 ·基于微波外调制的单激光器环形BOTDA系统，用耦合器将光源分为两路 或者根据需要将2根光纤对来实现单端入射，以此简化设备，减少测量时 间，并能达到较高的测量精度。
3.1 电力工业
高压电气设备中由于微波和电磁干扰的影响，传统的测温方法难 于或者根本无法得到真实的测试结果。而分布式光纤温度传感器 与传统的各类温度传感器相比，其具有一系列独特的优点：使用 光纤作为传输和传感信号的载体，有效克服了电力系统中存在的 强电磁干扰； 利用一根光纤为温度信息的传感和传导介质，可以 测量沿光纤长度上的温度变化等。
采用分布式光纤传感器对输电线路进行温度测量在国外 已经得到广泛应用，而国内也在积极地开展这方面的研究 工作，分布式光纤传感器在输电环节的另一种应用，则是 对输电线路的塔、线的结构健康监测，尤其是监测输电塔 、线在恶劣环境(覆冰、大风、高低温等)下的受力情况，确 保电力系统的安全可靠运行，这方面的研究处于起步阶段 。
·钱振东为验证BOTDA测试莉青混凝土铺装层裂缝的可行性，进行了光纤抗 压、温度交变及裂缝模拟试验，比选了裸光纤和紧套光纤的抗压及裂缝监测 能力，建立了布里渊频移和裂缝宽度之间的关系，应用表明BOTDA对实际路 面温度、残佘变形和裂缝监测具有很高的测量精度和稳定性。
·岩土工程方面
·Klar提出釆用分布式光纤构件监测网，自动检测隨道开挖过程造成的扰动 、沉降等现象，并进行了室内模拟试验；
·基于光纤干涉仪的准分布式光纤传感技术 ·基于FBG的准分布式光线传感技术
2.分布式光纤传感技术国内外研究现状
·在试验室研究方面 ·海底管道、输油、输气方面 ·桥梁、隨道、道路等交通工程方面 ·岩土工程方面
·在试验室研究方面
·吴智深对基于BOTDR的光纤变形检出特性进行了试验研究，包括光纤拉伸 和压缩试验，有利于理解光纤所测应变数据的意义。
3.2.1在列车温度测量方面的应用
列车车厢防火监控列车需要对车厢中的温度进行测量，以 达到防火监控的目的。目前列车上主要使用烟雾报警器和红 外报警器来进行防火监控，但这类系统存在两个方面的问题 ：一是它们只能在火灾发展到明火阶段后才能发现，无法将 火灾消灭在隐患阶段；二是它们的可靠性较差，常发生误报 ，例如乘客在车上吸烟时就会触发烟雾报警器。
3. 分布式光纤传感技术的应用
· 电力工业 · 道路交通 · 工程应用
·安防 ·石油工业 ·复合材料
3.1 电力工业
智能电网的基本特征就是信息化、自动化和互动化 ，要实现这一目标，作为信息采集的关元器件，传感器 是不可或缺的，而光纤传感器由于其自身的优点，必将 在电力系统中获得广泛的应用。
3.1 电力工业
·准分布式光纤传感器
准分布式光纤传感器是把空间上呈一定规则分布的相同调制类型的光纤传感器耦合 到一根或者多根光纤总线上，通过寻址、解调，检测出被测量的大小及空间分布， 光纤总线仅起到传光作用。
1.1 光纤基础知识
·光纤是光导纤维的简称，是一种重要和常用的波导材料 ，它利用光的全反射原理将光波能量约束在其界面内，并 引导光波沿光纤轴线方向传播。
分布式光纤原理及其应用研究
汇报小组：第三组 小组成员：崔 瑛 闫常弘 刘婷婷
周明军 孙 鹏 吴 俊殷娜严 晨 汇 报 人：严 晨
目录
1 分布式光纤传技术的原理. 2 分布式光纤技术国内外研究现状 3 分布式光纤传感技术的应用
1.分布式光纤传感技术原理
·全分布式光纤传感器
全分布式光纤传感器是利用一根光纤作为延伸的传感元件，光纤上的任意一段既是传 感单元，又是其他传感单元的信息传输通道，因而可获得被测量沿此光纤在空间和时 间上变化的分布消息。
2.1.1 基于OTDR的微弯传感器
·1997年Barnoski 博士首先提出了光时域反射技术OTDR（ Optical Time Domain Reflection）技术，结合瑞利散射来检测 光纤沿线故障检测 ·微弯型光纤传感器是根据光纤微弯形变引起纤芯或包层中传输 的光载波强度变化的原理制成的全光纤型传感器。
（2）基于 BOFDA 的分布式光纤传感技术
·BOFDA 是基于测量光纤的传输函数实现对测量点定位的一种传感 方法。这个传输函数把探测光和经过光纤传输的泵浦光的复振幅与 光纤的几何长度关联起来，通过计算光纤的冲击响应函数确定沿光 纤的应变和温度信息。
（3）基于 BOCDA 的分布式光纤传感技术
BOCDA 技术采用频率调制的连续泵浦光和探测光并求两者相关函数， 是一种可大大提高分布式光纤传感系统空间分辨率的技术方案，其实验 系统的空间分辨率理论上可达到毫米量级。
2.1.2 基于自发拉曼散射的光时域散射型（ROTDR）传感器
在由任于何拉分曼子散介射质由中分，子光热通运过动介引质起 ，时所由以于拉入曼射散光射与光分可子以运携动带相散互射作点 的用温会度引信起息频，率而发且生反变斯化托的克散斯射光称的 幅为度拉强曼烈散依射赖。于分温子度吸，收而频斯率托为克斯 光V则0的不光是子，，所发以射可V通0-过Vi测的量光斯子托，克 斯同光时与分反子斯从托低克能斯态光跃的迁功到率高比能探态测 温（度对的应变为化斯，托其克结斯果光消）除；了分光子源吸波 动收、频光率纤为弯V曲0的等光因子素，的发影射响V，0+只V与i 沿间的 到光保光低纤证子能的测，态温温同（度精时 对场度分应有。子为关从反，高斯因能托此态克可跃斯长迁光时
·相位敏感性（Φ -OTDR）与传统型OTDR最大的不同就是采用了相干光源， 并且要求光源具有窄线宽和低频率漂移特性。
2.2 长距离干涉传感技术
干涉技术最大的优点是干涉检测的灵敏度极高，光纤本身既是传输 媒质又是感知元件，光纤上任意一点都是传感单元，能够实现“海量”检 测，是一种真正意义上的全分布式光纤传感器。同时相比于后向散射型 分布式传感器，干涉仪探测正向传输光信号变化的方向发展，因此测量 信噪比和准确率都高得多，传感距离也长得多，数据处理简单，实时性 好。干涉仪不仅适合测量静态、半动态信号，更适合于动态信号的检测 。
3.3 工程应用
分布式光纤传感技术 后向瑞利散射
优缺点
应用
成本低、测量精度低、传感距离短
应用最早，目前研究甚少 周界入侵、振动监测
自发拉曼散射
空间分辨力1 m、温度分辨率 1 oC 、 目前已成熟，建筑物渗漏、
测量范围4~8 km,成本适中
火灾情况
布里渊散射 前向传输模耦合
测量精度高、传感长度长达51 km、 空间分辨率0.5 m、成本高
谢谢观看
2019/9/18
optical fiber
知识回顾 Knowledge Review
放映结束 感谢各位的批评指导！
谢 谢！
让我们共同进步
光波所为国庆60周年通州阅兵村提供的 光缆预警系统采用的就是分布式光纤传感技术
3.4 石油工业领域
·光纤传感器在测井中的应用 1、随钻测量 2、井下温度监控 3、井下压强监控 4、井下含水量监控
·管道监测
小组分工
分布式光纤传感技术原理： 闫常虹 崔 瑛 刘婷婷
国内外发展现状： 孙 鹏 周明军
分布式光纤传感技术应用： 吴 俊殷 娜严 晨
传感光纤两端分别入射连续 探测光和连续泵浦光，这两 束同步调制光在一个正弦波 上产生一个相关的周期峰， 并在光电检测器上接收锁相 放大器的同步信号。
2.1.7基于相位敏感的光时域反射型（Φ -OTDR）传感器
·在OTDR系统中，如果光源的线宽足够窄，相干度很高，那么从光纤的不 同部分返回的散射光会发生干涉。利用这种散射光的相干性设计出的相位 敏感型光时域反射系统，可以探测出传统OTDR系统无法察觉的弱信号的干 扰。
广泛关注与研究 长距离分布式应力监测、
大中型建筑工程、 长期稳定性监测
理论上可得极高分辨率、原理简单、 实现困难
目前暂无工程应用
3.3.1管道监测
3.3.2结构健康检测
3.4 周界安防
根据防范的不同场合和要求， 光纤可以构成各种形状，环 置于需要防范的周界处的适 当位置，当入侵者侵入时， 系统都会发出告警信号
监测中心通过以太网与监测 站连接， 以太网 提供监测中 心与监测站间的命令和数据 传送通 道。 监测中心主要负 责对本管区监测站进行管理 ， 由监测中心向监测站发送 命令，监测站启动 BOT-DR 设 备对光缆进行监测，并将监 测数据回传给监 测中心，供 维护人员进行管理或维护。
3.2 道路交通
·Akiyoshi等人将技术应用于2000年美洲杯帆船赛的曰本队帆船优化设计中， 通过测试数据评估了曰本队帆船的完整性和受力作用下的响应。
·Pamukcu设计了基于布里渊散射的含水量光纤传感器，采用亲水聚合物作 为含水量的传感元件，并将其仅仅缠绕在光纤周围，水分变化将引起聚合 物膨胀或收缩，从而产生光纤应变，其值变化反应了含水量变化过程。
·在将光纤作为传感材料应用前，需掌握光纤： 1.结构特性 2.机械特性 3.损耗等特性
2.1 基于光纤后向散射的全分布式光纤传感技术
依据所监测信号的不 同，主要分为基于拉曼（ Roman）散射的分布式温 度传感器、基于瑞利（ Rayleigh ）散射的分布式 光纤损耗检测传感器及基 于布里渊散射（Brillouin ）的分布式应变传感器。
·海底管道、输油、输气方面
·Li等人依据海底管线监测的技术要求，如可实现长距离、小空间分 辨率、大变形、多参量测试等，设计了试验方案分别模拟了室温、高 温下管道的拉伸及弯曲破坏，并采用分布式光纤传感器（DTSS系统） 测试了管道应变·
·桥梁、隨道、道路等交通工程方面
·Zhang建造于199பைடு நூலகம்年的沪宁高速某桥梁的破坏性试验进行分布式应变监测 ，应用测试的应变场对桥梁损伤进行了时域和空间域的分析和判断。