分布式光纤传感器共25页

ROTDR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：
I as
hc 0
a e kT
Is
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
其表达式如下：
z cT 2n
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
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）。
普通OTDR用于光纤测试
φ-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4 φ-OTDR扰动定位
COTDR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。
➢ 方法1 （数据处理简单，单点定位）。
图7 POTDR数据处理
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。
POTDR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6 P-OTDR的两种基本结构
POTDR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。
图5 相干检测OTDR
COTDR实例
英国OptaSense公司的分布式光纤声学传感器(DAS)。
Interrogator Unit
Send a conditioned pulse of light into the fibre to create virtual microphones.
Processing Unit User Interface
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：
d c
2n
其中 c：真空光速；n：折射率；τ：时延。
OTDR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，
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。
图9 POTDR数据谱分析
POTDR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。
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。
➢ 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。
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
OTDR技术
➢ 散射类光纤传感主要运用OTDR技术实现，此技术
The acoustic data is received by here which monitors each microphone channel in real time for the presence of specific acoustic events.
Presents the real time event data to the operator in a clear and intuitive manner where classified alerts are shown on a map display with location coordinates.
POTDR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
POTDR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3 OTDR用于光纤测试
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。