第九章分布式光纤传感技术
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
以上三个分辨率之间有相互制约的关系。
3
典型的分布式光纤传感器
4-1 相位调制型传感器
Mach-Zehnder干涉式传感器 Sagnac干涉式传感器
4-2 散射型传感器
布里渊散射型光纤传感器 拉曼散射型光纤传感器
4
M-Z干涉型光纤传感器的信号处理
信号处理的目标——1).对干扰事件进行定性
布里渊散射斯托克斯光相对于入射光的频移为:
泊松比
入射光频率 介质折射率
vB
2v0nvs c
介质中声速
vs
(1k)E 介质的杨氏模量
(1k)(12k) 介质密度
折射率 变化
热光效应 弹光效应
温度 应力
调制介质的 E、k、密度
声速 变化
布里渊频
14
移变化
BOTDR——传感原理
布里渊散射光频移会随着温度和光纤应变的上升而 线性增加:
通过解调获得干扰臂的相位变化,进而根据相位 变化情况分析干扰产生原因。
利用3*3耦合器解调原理图
5
M-Z干涉型光纤传感器的信号处理
信号处理的目标——2).对干扰事件进行定位 （适用于周界监控及管道监控等应用）
A点和B点分别对应M-Z干 涉仪两个耦合器的位置。 P点是干扰发生的位置
使用时使干涉仪 两臂中同时存在 顺时针和逆时针 传输的光
拉曼散射只受到环境温度的影响，而对应力变化 不敏感；
相对基于喇曼散射的传感系统来说,
基于布里渊散射的传感系统:
1）它能同时对温度和应力进行探测;
2）探测作用距离远，能达到100公里，
空间分辨率达到5米；
3）成本费用低。
19
BOTDR——布里渊频移系数
对于温度的布里渊频移系数是 1.22M/度（@1310nm） ,1M/度（@1550nm）
fB=fB0+ f TT(℃)+ f εε(με)
通过测量布里渊散射光频移 和光功率,就可以求得被测量 点的温度和应力的大小。
布里渊散射光功率会随温度的上升而线性增加,随
应变增加而线性下降：
PB=PB0+ P TT(℃)+ P εε(με)
15
ROTDR 时域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，也就是光纤拉曼背向散射的温度调 制机理。
R1 R2
Sagnac干涉仪的另一个典型应用是 光纤陀螺,即当环形光路有转动时， 顺逆时针的光会有非互易性的光程8 差，可用于转动传感
光纤SAGNAC干涉型分布式传感器定位原 理
当干扰源信号是正弦信号（或形如正弦信号）时,接
收信号的功率幅值为 Ps P00sin(s2) 2 1n(R 1R 2)/c
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
17
光源
耦合器
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
18
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;
与点式传感器相比，单位长度内信息获取成本大大 降低，性价比高。
2
分布式光纤传感器的特征参量
空间分辨率
指分布式光纤传感器对沿光纤长度分布的被测量进 行测量时所能分辨的最小空间距离。
时间分辨率
指分布式光纤传感器对被测量监测时,达到被测量的 分辨率所需的时间。
被测量分辨率
指分布式光纤传感器对被测量能正确测量的程度。
通过顺时针和逆时针传输的相位受干扰光 信号到达A点和B点的时延差可计算出产 6
生干扰的位置。 T(L2Z)/V
耦合器C2和C3构成M-Z干涉仪
在 计 算 机 中 对 PD1 和 PD2 接 收到的光信号进行互相关计 算,就可以获得干扰出现的时 延差，继而实现干扰定位
7
利用M-Z干涉仪进行分布式传感的系统结构图
分布式光纤传感 技术与应用
1
分布式光纤传感技术
利用光波在光纤中传输的特性,可沿光纤长度方 向连续的传感被测量（如温度、压力、应力和 应变等）
光纤既是传感介质，又是被测量的传输介质。
优点:
可在很大的空间范围内连续的进行传感，是其突出 优点。
传感和传光为同一根光纤，传感部分结构简单，使 用方便。
(2) 光纤SAGNAC干涉型分布式传感器
激光器发出的光经耦合器分为两束分别耦合进由同一光 纤构成的光纤环中,沿相反方向传输，并于耦合器处再 次发生干涉。
当传感光纤没有受到干扰时，干涉现象趋于稳定;受到 外界干扰时，正反向两光束会产生不同的相移，并于耦 合器处发生干涉，干涉信号的光强与干扰发生位置具有 一定关系。
12
BOTDR——布里渊散射
量子光学描述:入射光波（泵浦）与介质内弹性声波 场作用中,一泵浦光子湮灭产生一声学声子和散射 (Stokes)光子。
散射光与泵浦波的传播方向相反，与入射波的频移（ 在1.55mm处）约为：fB=11.1GHZ。
分为自发布里渊散射和受激布里渊散射两种
13
BOTDR——传感原理
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。
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℃
16
测温原理
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
10
(1)光纤中的背向散射光分析
来自百度文库斯托克斯光
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
11
弹性散射
(2)BOTDR——光时域布里渊散射光纤传感器
布里渊散射产生机理 是入射光与声波或传播的压力波相互作用的结果,这个传 播的压力波等效于一个以一定速度移动的密度光栅。因此 布里渊散射可以看成是入射光在移动光栅上的散射。 多普勒效应使散射光频率不同于入射光。
零点频率发生在 s 0,,.......N
2 干扰源位置R1与第N个零频之间的关系为
f 2 s,null
s,null
Nc n(L2R1)
通过分析接收光 信号的零频点位 置即可获得干扰 源的位置
9
（上）有干扰时光强信号的理论计算值（下）实验值
2 散射型光纤传感器
利用背向瑞利散射——OTDR 利用布里渊散射——B-OTDR、 B-OTDA 利用拉曼散射——R-OTDR
3
典型的分布式光纤传感器
4-1 相位调制型传感器
Mach-Zehnder干涉式传感器 Sagnac干涉式传感器
4-2 散射型传感器
布里渊散射型光纤传感器 拉曼散射型光纤传感器
4
M-Z干涉型光纤传感器的信号处理
信号处理的目标——1).对干扰事件进行定性
布里渊散射斯托克斯光相对于入射光的频移为:
泊松比
入射光频率 介质折射率
vB
2v0nvs c
介质中声速
vs
(1k)E 介质的杨氏模量
(1k)(12k) 介质密度
折射率 变化
热光效应 弹光效应
温度 应力
调制介质的 E、k、密度
声速 变化
布里渊频
14
移变化
BOTDR——传感原理
布里渊散射光频移会随着温度和光纤应变的上升而 线性增加:
通过解调获得干扰臂的相位变化,进而根据相位 变化情况分析干扰产生原因。
利用3*3耦合器解调原理图
5
M-Z干涉型光纤传感器的信号处理
信号处理的目标——2).对干扰事件进行定位 （适用于周界监控及管道监控等应用）
A点和B点分别对应M-Z干 涉仪两个耦合器的位置。 P点是干扰发生的位置
使用时使干涉仪 两臂中同时存在 顺时针和逆时针 传输的光
拉曼散射只受到环境温度的影响，而对应力变化 不敏感；
相对基于喇曼散射的传感系统来说,
基于布里渊散射的传感系统:
1）它能同时对温度和应力进行探测;
2）探测作用距离远，能达到100公里，
空间分辨率达到5米；
3）成本费用低。
19
BOTDR——布里渊频移系数
对于温度的布里渊频移系数是 1.22M/度（@1310nm） ,1M/度（@1550nm）
fB=fB0+ f TT(℃)+ f εε(με)
通过测量布里渊散射光频移 和光功率,就可以求得被测量 点的温度和应力的大小。
布里渊散射光功率会随温度的上升而线性增加,随
应变增加而线性下降：
PB=PB0+ P TT(℃)+ P εε(με)
15
ROTDR 时域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，也就是光纤拉曼背向散射的温度调 制机理。
R1 R2
Sagnac干涉仪的另一个典型应用是 光纤陀螺,即当环形光路有转动时， 顺逆时针的光会有非互易性的光程8 差，可用于转动传感
光纤SAGNAC干涉型分布式传感器定位原 理
当干扰源信号是正弦信号（或形如正弦信号）时,接
收信号的功率幅值为 Ps P00sin(s2) 2 1n(R 1R 2)/c
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
17
光源
耦合器
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
18
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;
与点式传感器相比，单位长度内信息获取成本大大 降低，性价比高。
2
分布式光纤传感器的特征参量
空间分辨率
指分布式光纤传感器对沿光纤长度分布的被测量进 行测量时所能分辨的最小空间距离。
时间分辨率
指分布式光纤传感器对被测量监测时,达到被测量的 分辨率所需的时间。
被测量分辨率
指分布式光纤传感器对被测量能正确测量的程度。
通过顺时针和逆时针传输的相位受干扰光 信号到达A点和B点的时延差可计算出产 6
生干扰的位置。 T(L2Z)/V
耦合器C2和C3构成M-Z干涉仪
在 计 算 机 中 对 PD1 和 PD2 接 收到的光信号进行互相关计 算,就可以获得干扰出现的时 延差，继而实现干扰定位
7
利用M-Z干涉仪进行分布式传感的系统结构图
分布式光纤传感 技术与应用
1
分布式光纤传感技术
利用光波在光纤中传输的特性,可沿光纤长度方 向连续的传感被测量（如温度、压力、应力和 应变等）
光纤既是传感介质，又是被测量的传输介质。
优点:
可在很大的空间范围内连续的进行传感，是其突出 优点。
传感和传光为同一根光纤，传感部分结构简单，使 用方便。
(2) 光纤SAGNAC干涉型分布式传感器
激光器发出的光经耦合器分为两束分别耦合进由同一光 纤构成的光纤环中,沿相反方向传输，并于耦合器处再 次发生干涉。
当传感光纤没有受到干扰时，干涉现象趋于稳定;受到 外界干扰时，正反向两光束会产生不同的相移，并于耦 合器处发生干涉，干涉信号的光强与干扰发生位置具有 一定关系。
12
BOTDR——布里渊散射
量子光学描述:入射光波（泵浦）与介质内弹性声波 场作用中,一泵浦光子湮灭产生一声学声子和散射 (Stokes)光子。
散射光与泵浦波的传播方向相反，与入射波的频移（ 在1.55mm处）约为：fB=11.1GHZ。
分为自发布里渊散射和受激布里渊散射两种
13
BOTDR——传感原理
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。
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℃
16
测温原理
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
10
(1)光纤中的背向散射光分析
来自百度文库斯托克斯光
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
11
弹性散射
(2)BOTDR——光时域布里渊散射光纤传感器
布里渊散射产生机理 是入射光与声波或传播的压力波相互作用的结果,这个传 播的压力波等效于一个以一定速度移动的密度光栅。因此 布里渊散射可以看成是入射光在移动光栅上的散射。 多普勒效应使散射光频率不同于入射光。
零点频率发生在 s 0,,.......N
2 干扰源位置R1与第N个零频之间的关系为
f 2 s,null
s,null
Nc n(L2R1)
通过分析接收光 信号的零频点位 置即可获得干扰 源的位置
9
（上）有干扰时光强信号的理论计算值（下）实验值
2 散射型光纤传感器
利用背向瑞利散射——OTDR 利用布里渊散射——B-OTDR、 B-OTDA 利用拉曼散射——R-OTDR