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。