分布式光纤传感技器

2 优点：
①测量空间范围大：上千米---上百千米。 ②结构简单、使用方便：传感与传输使用同根光纤。 ③性价比低：单位长度内信息获取成本大大降低。
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3 研究重点
① 传感元件的选择（要求给出被测量沿空间位置的连续变化值）， 可利用光纤中传输损耗、模耦合、传播的相位差以及非线性效应等给出连 续分布的测量结果。
② 时间分辨率 传感器对被测量进行测量时，达到被测量的分辨率所需的时间。表征传
感器测量的实时性能。影响因素：采样次数，计算平均的次数。
③ 被测量分辨率 指传感器对被测量能正确测量的程度。一般用信噪比为1时作为判据。如
温度分辨率是指信噪比为1时对应的温度变化量。 影响因素：光源功率，探测器灵敏度，探测器噪声，系统耦合损耗。
分别对它们的波长移动量Δλ进行检测，就可以
准确地对各FBG 传感器所在处的扰动信息进行监测。
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三 分布式光纤传感技术
1 时域测量原理 2 分布式光纤传感器具体类型 （1）散射型分布式传感器 （2）相位调制型分布式传感器 （3）偏振型分布式传感器 （4）微弯型分布式传感器 （5）荧光型分布式传感器
▪ 30 km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பைடு நூலகம்原理
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
Is 斯托克斯光光强 Ias 反斯托克斯光光强
温度变化
测温原理：Ias/Is＝ae-kcv/kT
Is不变 Ias变化
光源
耦合器
应变测量原理
温度测量原理
FBG光纤传感系统组成
2024/7/16
FBG传感器的优点： 可以实现应力与温度的准分布式测量
也就是将具有不同栅距Λ的布喇格光栅间隔地制作在
同一根光纤上,，就可以用同一根光纤复用多个FBG 传感
器，实现对待测结构定点的分布式的测量。由于该复用 系统中每一个FBG 传感器的位置与λB 都是确定的。
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：
Z ct
（9）
2ng
其中ｃ为光在真空中的速度 (3× 1 0 8ｍ/ｓ)
光源
Y分支器
光探测器 光放大器
被测光纤 示波器 信号处理
测量过程
▪ 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
由光源、传感、信号处理和显示三部分组成。
光源
光纤耦合器
光探测器
光放大器
被测光纤 示波器 信号处理
关键技术：① 大功率、窄脉冲输出，② 低噪声、高灵敏度光探测，
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③ 高速率信号处理
6 分布式光纤传感器的特征参量
① 空间分辨率 对沿传感光纤的长度分布的被测量进行测量时所能分辨的最小空间距离
。影响因素： 脉冲的持续时间，探测器的响应时间。
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（1）散射型分布式传感器
① 瑞丽散射型分布式传感器 ② 拉曼散射型分布式传感器 ③ 布里渊散射型分布式传感器
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光纤中的背向散射光
光纤中的背向散射光分析
斯托克斯光
反斯托克斯光
布里渊散射和
拉曼散射在散
射前后有频移，
是非弹性散射。
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拉曼、布里渊散射 （非弹性散射）
SiO2 1.32*1012Hz
传感光纤 恒温
耦合器
同 Stokes
步
滤波器
Anti-Stokes 滤波器
控
制
探测器
测温区域
数据采集与处理
后台控制
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；
此方法上世纪80年代就已被提出，并商用化。
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光纤中自发拉曼散射的反斯托克斯光与温度紧密 相关。常温下(T=300K)其温敏系数为8‰/℃。 采用反斯托 克斯与斯托克斯比值的分布式光纤温度测量，其结果消除 了光源波动、光纤弯曲等因素的影响，只与沿光纤的温度 场有关，因此可长时间保证测温精度。
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式中，S(z)是光纤在 Z点的背向散射系数 ,S(z)具有方向性;
ab (x)是光纤背向衰减系数。
将 (3 )式代入 (4 )可得：
z
ps (z) P(0)s(z) exp[ - 0 (a f (x) ab (x))dx] （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：
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ROTDR——传感原理
拉曼散射由分子热运动引起，所以拉曼散射光 可以携带散射点的温度信息。
反斯托克斯光的幅度强烈依赖于温度，而斯托 克斯光则不是。则通过测量斯托克斯光与反斯 托克斯光的功率比，可以探测到温度的变化。
由于自发拉曼散射光一般很弱，比自发布里渊 散射光还弱10dB，所以必须采用高输入功率， 且需对探测到的后向散射光信号取较长时间内 的平均值。
光时域反射计将通过对返回光功率与返回时间的 关系获得光纤线路沿线的损耗情况。
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光时域反射 (OTDR)技术
光时域反射技术，即向光纤中注入一个脉冲，通过反射信 号和入射脉冲之间的时间差来确定空间位置。
d为事件点距离系统终端的距离，c为真空光速，n为光纤有效折射率
d c
2n
脉冲的重复频率决定了可监测的光纤长度，而脉冲的宽度 决定了空间定位精度（10ns宽度对应空间分辨率1m）。
基于自发拉曼散射的分布式光纤温度传感器原理
ROTDR 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，这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。
斯托克斯 — 拉
曼散射 l 大
斯托克斯拉曼散射
RS
弹性散射
l
布里渊散射 布里渊散射 BS BS
反斯托克斯拉曼散射
RS
反斯托克斯 — 拉
曼散射 l 小
s
(a)
布里渊散射: 晶
体中的声波参与
了能量交换.
10～20GHz
(1 )
线宽 (约50MHz)。 弹性散射
B1 B2
(b) (c)
AS
(d)
OTDR测量结果的意义
A 端面反射 反射接点 dB 与背向散
射影响
终端菲涅 尔反射
无反射损耗 点或故障点
熔接点
无反射增益 点
噪声 L(km)
OTDR测量结果的意义
①、死区
1.5dB
事件死区
0.5dB
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。
RS RS
BS BS
( s )( As ) 非弹性散射
① 瑞丽散射型分布式传感器
基于瑞丽散射基本原理进行传感，用光干涉 技术进行空间定位。如：当光纤受力时，其瑞丽 散射光强也随之变化，根据光强变化大小即可推 断受力大小，从而制作分布式光纤应力传感器。 具体见书P40。
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② 拉曼散射型分布式传感器（ROTDR）
,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： z
P(z) P(0) exp[- af (x)dx]
（3）
0
式中，af (x) 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：
z
ps (z) s(z) p(z) exp[ - 0 ab (x)dx] （4）
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利用OTDR技术测量光纤沿线背向反射光功率的结果
光纤传感技术在分布测量中的应用（时域变换技术）
OTDR技术 用于分布检测
S1 T1 S2 T2 S3 T3
光纤
Sn Tn
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
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。
ps (z1 )
ps (z2 )
s(z1 ) exp[ s(z2 )
z2 z1
(a
f
(x)
ab
( x)) dx]
（6）
对上式两边取对数得：
(a z2
z1
f
(x) ab (x))dx
ln
ps (z1 ) ps (z2 )
- ln
s(z1 ) s(z2 )
（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,
概述 准分布式FBG传感技术 分布式光纤传感技术
散射型分布式传感器 相位调制型分布式传感器 偏振型分布式传感器 微弯型分布式传感器 荧光型分布式传感器
光纤传感技术的发展 27
分布式光纤传感技术的应用
2 分布式光纤传感器具体类型
（1）散射型分布式传感器 （2）相位调制型分布式传感器 （3）偏振调制型分布式传感器 （4）微弯型分布式传感器 （5）荧光型分布式传感器
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二 准分布式FBG光纤传感技术
光纤光栅：一种波长分选与光谱分离的设备。 光纤光栅分布在光纤体内，可由紫外光对光纤
侧面进行曝光，使纤芯的折射率沿轴向呈现出周 期性。
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图1 FBG分布式测量原理图
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当光纤入射光波的波长λ满足布喇格衍射 条件时，则该波长的光波将沿来路发生反射, 该反射光就是布喇格反射光。
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1 时域测量原理：光时域反射 (OTDR)技术
光时域反射 (OTDR：Opitcal Time-Domain Reflectometry)技术最初被用于检验光纤线路的损耗 特性以及故障分析。
当光脉冲在光纤中传输的时候，由于光纤本身的 性质、连接器、接头、弯曲或其他类似事件而产 生散射、反射，其中背向瑞利散射光和菲涅尔反 射光将返回输入端（主要是瑞利散射光，瑞利散 射是光波在光纤中传输时由于光纤纤芯折射率在 微观上的起伏而引起的线性散射，是光纤的固有 特性）。
有a ≈1/2 [ab(z) +af (z)],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：
a
1 2(z2 -
[ln z1 )
ps (z1 )
-
ln
ps (z2 )]
（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。
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。
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 测量连接器的回波损耗
内容概要
②解调方法的确定（要求给出被测量对应的空间位置） 可利用光时域反射技术、扫描干涉技术等给出被测量所对应的空间位置。
4 分类
散射型
分布式光纤温度传感系统
按 传 感
干涉型
按 测
偏振型
量
分布式光纤压力传感系统
原 理
微弯型
对
象
分布式光纤应力、应变传感系统
荧光型
……….
4
5 分布式光纤传感器原理结构图
分布式光纤传感技术与应用
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内容概要
概述 准分布式FBG传感技术 分布式光纤传感技术
散射型分布式传感器 相位调制型分布式传感器 偏振型分布式传感器 微弯型分布式传感器 荧光性分布式传感器
光纤传感技术的发展 2
分布式光纤传感技术的应用
一 分布式光纤传感器概述
1 定义
分布式光纤传感器是利用光波在光纤中的传输特性， 可沿光纤长度方向连续的传感被测量（温度、压力、应 力和应变等）。光纤既是感受被测量的传感介质，又是 传输被测量的传输介质。
拉曼散射分布式光纤传感器是基于拉曼散射 的散射光参量与散射介质温度等参量之间的关 系进行传感，利用光时域反射技术定位以构成 拉曼散射分布式光纤传感器。
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拉曼散射产生机理：
在任何分子介质中，光通过介质时由于入射光与分子运 动相互作用会引起的频率发生变化的散射，此过程为拉 曼散射。
量子力学描述：分子吸收频率为V0的光子，发射V0-Vi 的光子，同时分子从低能态跃迁到高能态（对应斯托克 斯光）；分子吸收频率为V0的光子，发射V0+Vi的光子， 同时分子从高能态跃迁到低能态（反斯托克斯光）。