分布式光纤传感技术 PPT
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分布式光纤传感系统光学设计方案全套PPT
– 光学原理分析
4、在波分复用器中将斯托克斯(1660nm)和反斯托 克斯光(1450nm)分开，分别送入两个光电转 探测器中。
5、两光电探测器APD(900nm－1700nm)分别检测 出斯托克斯和反斯托克斯光的强度，然后进 行比较得到温度信息。
6、在微处理器中对数据进行处理和计算，同时
控制激光脉冲及信号采集的时序。
– 光学器件的选择
• 激光二极管的确定：
1、Laser Diode型号: H1155G1S06X，Laser Component 2、主要参数：
• 光电二极管的确定： 1、APD型号：LAPD-2000(S)-C, Chunghwa Telecom
2、主要参数：
分布式光纤传感系统 光学设计方案
孙崇峰 2021/11/11
分布式光纤传感系统光学设计
• 分布式光学原理分析 – 光学参数分析
• 分布式光纤传感系统光学器件的参数要求
– 光学器件的参数分析 – 光学器件的性能分析 – 光学器件的可靠性分析
分布式光纤传感系统
分布式光纤传感系统 光学设计总体结构‘3
– 光学参数分析 光学参数设计原则：
一、激光光源的确定： 1、产生足够强的自发拉曼效应； 2、避免发生受激拉曼效应； 3、所选激光光波波长要兼顾灵敏度与稳定性的
要求。
二、光无源器件的确定：
1、通带的中心波长； 2、良好的隔离度； 3、通带的平坦度及谱宽。
分布式光纤传感系统 光学设计总体结构‘4
分布式光纤传感系统 光学设计总体结构‘1
– 光学原理分析
1、激光二极管LD所产生的光脉冲(1550nm)经过 2X1耦合器1端从2端传入传感光纤中。
2、为防止后向散射光对激光器工作的影响，在 激光二极管和耦合器间就考虑加一光隔离器。
4、在波分复用器中将斯托克斯(1660nm)和反斯托 克斯光(1450nm)分开，分别送入两个光电转 探测器中。
5、两光电探测器APD(900nm－1700nm)分别检测 出斯托克斯和反斯托克斯光的强度，然后进 行比较得到温度信息。
6、在微处理器中对数据进行处理和计算，同时
控制激光脉冲及信号采集的时序。
– 光学器件的选择
• 激光二极管的确定：
1、Laser Diode型号: H1155G1S06X，Laser Component 2、主要参数：
• 光电二极管的确定： 1、APD型号：LAPD-2000(S)-C, Chunghwa Telecom
2、主要参数：
分布式光纤传感系统 光学设计方案
孙崇峰 2021/11/11
分布式光纤传感系统光学设计
• 分布式光学原理分析 – 光学参数分析
• 分布式光纤传感系统光学器件的参数要求
– 光学器件的参数分析 – 光学器件的性能分析 – 光学器件的可靠性分析
分布式光纤传感系统
分布式光纤传感系统 光学设计总体结构‘3
– 光学参数分析 光学参数设计原则：
一、激光光源的确定： 1、产生足够强的自发拉曼效应； 2、避免发生受激拉曼效应； 3、所选激光光波波长要兼顾灵敏度与稳定性的
要求。
二、光无源器件的确定：
1、通带的中心波长； 2、良好的隔离度； 3、通带的平坦度及谱宽。
分布式光纤传感系统 光学设计总体结构‘4
分布式光纤传感系统 光学设计总体结构‘1
– 光学原理分析
1、激光二极管LD所产生的光脉冲(1550nm)经过 2X1耦合器1端从2端传入传感光纤中。
2、为防止后向散射光对激光器工作的影响，在 激光二极管和耦合器间就考虑加一光隔离器。
光纤传感技术全92页PPT
光纤传感技术全
6
、
露
凝
无
游
氛
ห้องสมุดไป่ตู้
，
天
高
风
景
澈
。
7、翩翩新 来燕，双双入我庐 ，先巢故尚在，相 将还旧居。
8
、
吁
嗟
身
后
名
，
于
我
若
浮
烟
。
9、 陶渊 明（ 约 365年 —427年 ），字 元亮， （又 一说名 潜，字 渊明 ）号五 柳先生 ，私 谥“靖 节”， 东晋 末期南 朝宋初 期诗 人、文 学家、 辞赋 家、散
文 家 。汉 族 ，东 晋 浔阳 柴桑 人 （今 江西 九江 ） 。曾 做过 几 年小 官， 后辞 官 回家 ，从 此 隐居 ，田 园生 活 是陶 渊明 诗 的主 要题 材， 相 关作 品有 《饮 酒 》 、 《 归 园 田 居 》 、 《 桃花 源 记 》 、 《 五 柳先 生 传 》 、 《 归 去来 兮 辞 》 等 。
1
0
、
倚
南
窗
以
寄
傲
，
审
容
膝
之
易
安
。
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、自己的饭量自己知道。——苏联
6
、
露
凝
无
游
氛
ห้องสมุดไป่ตู้
，
天
高
风
景
澈
。
7、翩翩新 来燕，双双入我庐 ，先巢故尚在，相 将还旧居。
8
、
吁
嗟
身
后
名
，
于
我
若
浮
烟
。
9、 陶渊 明（ 约 365年 —427年 ），字 元亮， （又 一说名 潜，字 渊明 ）号五 柳先生 ，私 谥“靖 节”， 东晋 末期南 朝宋初 期诗 人、文 学家、 辞赋 家、散
文 家 。汉 族 ，东 晋 浔阳 柴桑 人 （今 江西 九江 ） 。曾 做过 几 年小 官， 后辞 官 回家 ，从 此 隐居 ，田 园生 活 是陶 渊明 诗 的主 要题 材， 相 关作 品有 《饮 酒 》 、 《 归 园 田 居 》 、 《 桃花 源 记 》 、 《 五 柳先 生 传 》 、 《 归 去来 兮 辞 》 等 。
1
0
、
倚
南
窗
以
寄
傲
，
审
容
膝
之
易
安
。
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、自己的饭量自己知道。——苏联
《分布式光纤传感器》课件
03Leabharlann 交通用于监测高速公路、 铁路和桥梁的结构健 康，确保交通安全。
04
环保
用于监测土壤、水和 空气的质量，以及污 染源的定位。
分布式光纤传感器的优势与局限性
优势 同时测量沿光纤分布的温度和应变等物理量； 高精度、高灵敏度和高分辨率；
分布式光纤传感器的优势与局限性
测量距离长，可实现连续监测； 耐腐蚀、抗电磁干扰和本征安全。
分布式光纤传感器的成本和稳定性问题也需要得到解决，以便更好地推广和应用。
分布式光纤传感器与其他传感器的集成和协同工作需要进一步研究，以提高监测系 统的整体性能和稳定性。
对未来研究和应用的建议
鼓励产学研合作，加强分布式 光纤传感器技术的研发和应用 研究，推动技术进步和产业发
展。
加强国际合作与交流，借鉴 国外先进技术和发展经验， 提高我国分布式光纤传感器
技术的国际竞争力。
鼓励企业加大投入，推动分布 式光纤传感器技术的商业化应 用，拓展应用领域和市场空间
。
THANKS
感谢观看
开发新型分布式光纤传感器技术
新材料
探索新型的光纤材料和光学器件，以 提高分布式光纤传感器的性能和功能 。
新原理
研究新的分布式光纤传感原理和技术 ，以拓展其应用领域和解决现有技术 的局限性。
05
结论
Chapter
分布式光纤传感器的重要性和应用前景
分布式光纤传感器在长距离、大范围监测中具 有明显优势，可广泛应用于石油、天然气、电 力等行业的安全监测和预警系统。
预警系统
利用分布式光纤传感器监测建筑物周围的环境变化，如地震、风力和 温度等，及时发出预警，预防潜在的自然灾害和人为破坏。
04
分布式光纤传感技术原理及其应用详解PPT文档42页
5、教导儿童服从真理、服从集体，养 成儿童 自觉的 纪律性 ，这是 儿童道 德教育 最重要 的部分 。—— 陈鹤琴
61、奢侈是舒适的，否之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。——杰纳勒 尔·乔治·S·巴顿
分布式光纤传感技术原理及其应用详 解
1、纪律是管理关系的形式。——阿法 纳西耶 夫 2、改革如果不讲纪律，就难以成功。
3、道德行为训练，不是通过语言影响 ，而是 让儿童 练习良 好道德 行为， 克服懒 惰、轻 率、不 守纪律 、颓废 等不良 行为。 4、学校没有纪律便如磨房里没有水。 ——夸 美纽斯
谢谢！
61、奢侈是舒适的，否之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。——杰纳勒 尔·乔治·S·巴顿
分布式光纤传感技术原理及其应用详 解
1、纪律是管理关系的形式。——阿法 纳西耶 夫 2、改革如果不讲纪律，就难以成功。
3、道德行为训练，不是通过语言影响 ，而是 让儿童 练习良 好道德 行为， 克服懒 惰、轻 率、不 守纪律 、颓废 等不良 行为。 4、学校没有纪律便如磨房里没有水。 ——夸 美纽斯
谢谢！
常用传感器的类型和工作原理-分布式光纤技术原理PPT共89页
远躺在泥坑里的人，才不会再掉进坑里。——黑格尔 32、希望的灯一旦熄灭，生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该是勤奋。——郭沫若 35、学到很多东西的诀窍，就是一下子不要学很多。——洛克
常用传感器的类型和工作原理-分布式
光纤技术原理
21、没有人陪你走一辈子，所以你要 适应孤 独，没 有人会 帮你一 辈子， 所以你 要奋斗 一生。 22、当眼泪流尽的时候，留下的应该 是坚强 。 23、要改变命运，首先改变自己。
24、勇气很有理由被当作人类德性之 首，因 为这种 德性保 证了所 有其余 的德性 。--温 斯顿． 丘吉尔 。 25、梯子的梯阶从来不是用来搁脚的 ，它只 是让人 们的脚 放上一 段时间 ，以便 让别一 只脚能 够再往 上登。
常用传感器的类型和工作原理-分布式
光纤技术原理
21、没有人陪你走一辈子，所以你要 适应孤 独，没 有人会 帮你一 辈子， 所以你 要奋斗 一生。 22、当眼泪流尽的时候，留下的应该 是坚强 。 23、要改变命运，首先改变自己。
24、勇气很有理由被当作人类德性之 首，因 为这种 德性保 证了所 有其余 的德性 。--温 斯顿． 丘吉尔 。 25、梯子的梯阶从来不是用来搁脚的 ，它只 是让人 们的脚 放上一 段时间 ，以便 让别一 只脚能 够再往 上登。
光纤传感原理与应用 尚盈 电子课件 第五章.光纤解调技术
5.2 波长解调 5.2.2 滤波解调法
5.2 波长解调 5.2.2 滤波解调法
5.3 频率解调 5.3.1 频率调制基本原理
s O 光学多普勒效应原理
5.3 频率解调 5.3.2光纤多普勒流速测量技术
5.3 频率解调 5.3.2光纤多普勒流速测量技术
光束1 光束2
前方散射形成的干涉条纹
5.3 频率解调
Ⅰ
三角函数象限图
5.4 相位解调 5.4.4 I/Q解调算法
5.4 相位解调 5.4.4 I/Q解调算法
5.4 相位解调 5.4.4 I/Q解调算法
5.5 偏振态解调
5.1 强度解调
强度解调的方案结构简单,适合短距离且信噪比要求不太高的场合,受激光器相位噪声影响较小。强 度解调过程如图5.1所示，先将光信号进行光学滤波,滤除中心波长以外的其他噪声，光电探测器将光信 号转成电信号,将获得的信号进行放大，然后将信号进行滤波，保证只将有用信号进行放大。
强度解调型FBG传感器是通过测量传感FBG的光强或光功率来解调被测参量的传感器,其传感系统 通常由光源、传感头、光信号传输器件和解调模块四部分组成，而解调模块中方案的选择直接决定了系 统成本的高低和系统的精度,是传感系统的关键部分。
在零差方式下,解调电路直接将干涉仪中的相位变化转变为电信号。零差方式又包括主动零差法 (Active Homodyne Method)和被动零差法(Passive Homodyne Method)。
外差方式包括普通外差法、合成外差法和伪外差法。
1.主动零差法
在主动零差法中,需要“主动”地控制干涉仪参考臂的长度,使得干涉仪工作在正交工作点处。常 见的主动零差法包括两种，即主动相位跟踪零差法和主动波长调谐零差法。
分布式光纤传感器ppt课件
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17
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
算出温度：
T hc0
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13
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
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14
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，在z1处 的数据会在某一固定常量左右变化。
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.
➢ 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。
➢ 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。
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分布式光纤传感技术
更高的空间分辨率，达mm级
• 解调方式： 温度/应变/位移等对应反射波的波长偏移
干涉法：波长转换为相位
F-P可调滤波法：压电陶瓷驱动改变F-P 滤波波长，反射波的波长转换为驱动电压。 技术比较成熟。
边沿滤波法：有一定单值边沿的滤波器， 波长对应滤波器的透过率。
• 5、布里渊分布式光纤传感技术 相对于拉曼散射，布里渊散射具有：更小 的频移，更高的功率。 分两类：布里渊散射一般有自发散射和受 激散射。基于自发布里渊散射的BOTDR,基 于受激布里渊散射的BOTDA。
• 拉曼传感原理 基于背向拉曼散射原理，采用OTDR方式进 行空间定位。
光源
光电 探测
信号 处理
OTDR简图
OTDR定位原理：探测点位置、光在光纤 中传播的速度、探测时间三者的关系
分为：光发送模块、光传输模块、光信号 采集模块
• 利用背向拉曼散射光测量温度 反斯托克斯光对温度敏感度高于斯托克斯光。 当入射光、光纤等因素确 定时，每一点的反 斯托克斯光功率随温度而变化。 • 信号解调 有多种方法，对温度进行标定。 常用的一种：T=T0时，得到P(AS)/P(S)的曲 线。T=T1时，得到P(AS)/P(S)的另外一条曲 线。通过两条曲线对比，得到温度分布曲线。
∆t
信号臂
预调制 光源
参考臂
延长线
光电探测 相关运算
• 提高定位精度的一种方法：预调制 • 在信号臂和参考臂的输入端对光信号进行 相位的预调制，调制频率远高于振动产生 的频率。
振动
本振光相位
信号光相位
三、分布式传感关键技术
• 1、微弱信号的检测和噪声的抑制： 瑞利散射光、拉曼散射光、布里渊散射光都 比较微弱。 光噪声和电噪声也不利于信号的解调。
第6章 光纤传感技术ppt课件
12
①2a1 光纤端面球透n镜2 耦合
② 柱透镜耦合(n最1 大2an 约50%γ左2 右)
2a3
③ 凸透镜耦合(一n2 般在25a0%c 左右2a2 )
2a1
④
自聚焦光纤n1 (一般2an 在50%θγ1左右γ)3
S拆开点d
γn
r
激光器
自聚焦透镜θ
圆锥形光纤（透镜）耦合
光纤
2an 光纤
端z 面球R透镜耦合示意
引言
光纤技术理论的不断完善，光纤制造工艺的日臻 成熟，各种类型的光纤元器件逐步商品化，为光纤传 感技术的发展奠定了理论基础和物质基础。
由于光纤有良好的传输光的特性(衰减系数已达到 0.14dB/km)，有比微波高6个数量级的宽频带，再加上 光纤本身就是一种敏感元件，光在光纤中传输时振幅 、相位、偏振态等将随着检测对象的变化而变化，因 此，光纤可以用于制作优良的传感器。
1）直接耦合 所谓直接耦合，就
是把一根平端面的光纤 直接靠近光源发光面放 置。一般耦合效率大约 为20%。
S 2θc
2θ
S—光源 θ—光源发光张角 θc—光纤接收角
光纤与光源直接耦合
.
02.05.2020
11
2）透镜耦合 透镜耦合方法可以提高耦合效率，也可能不提高,
这里有一个耦合效率准则概念。 对于lambet型光源(例如发光二级管)，不管中间加
什么样的系统，它的耦合效率不会超过一个极大值:
maxSf /SeNA2
当发光面积Se大于光纤接收面积Sf 时，加任何光学 系统都没有用，最大耦合效率可以用直接耦合的办法得
到。当发光面积小于光纤接收面积时，加上光学系统是
有用的，可以提高耦合效率，而且发光面积越小，耦合
分布式光纤传感系统原理（BOTDR）
分布式光纤传感系统原理
T0时布里渊散射图
激光器, o
T = To
散射材料
分布式光纤传感系统原理
T1时的布里渊频移
激光器, o
T = T1 > To
散射材料
分布式光纤传感系统原理
T2时的布里渊频移
T = T2 > T1 > To
激光器, o
散射材料
分布式光纤传感系统原理
Brillouin 增益, x 10 -11 m/W 不同频率, GHz
Position,
m
全增益谱（频率反应）
150m 光纤
热点
Gain
1.10
1.05
1.00
Frequen1c0y.3,
10.4
GHz
10.5
10.6 0
150
50
100
Position,
m
全增益谱（频率反应）
增益
波长扫描
波长, GHz
距离, km
DiTeSt-STA201 系统结构
EDFA
DFB Laser
E/O Modulator
Control DSP Card
High speed Data
Acquisition
Optical Filter
1x2 optical switch
Optical Port 1
Optical Port 2
Touchscreen Panel PC
Database
布里渊分布式传感器
Omnisens 探测技术:
• 基于 probe signal 的技术（用于波长的控制与扫描）
波长扫描后记录探测强度
DiTeSt 测试系统
分布式光纤传感技术ppt
消防方面
•隧道、地铁、公路和建筑物的火灾监测和报警
——光纤传感器的优势
—
——
DTS
Reyleigh
背向散射光真正的实现沿着光纤的分布式测量
•领先的光时域反射技术
Brilluous
•完全分布式的测量，大大降低误报和漏报率
分布式光纤温度测量系统
分布式光纤温度应变测量系统
火灾监测与报警传送带火灾监测
其他相关：
电力电缆监测
电力电缆
取决于需求，光纤可以安装在电缆内部或外部
电缆管道
电力电缆监测●电缆状态监测
管道泄漏
压力容器
监测外壳温度
更加了解生产状况
在危险环境中安全使用温度可上升到
发电厂监测。
分布式光纤传感器共26页
谢谢！
21、要知道对好事的称颂过于夸大，也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒。——培根 22、业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。——韩愈
23、一切节省，归根到底都归结为时间的节省。——马克思 24、意志命运往往背道而驰，决心到最后会全部推倒。——莎士比亚
25、学习是劳动，是充满思想的劳动。——乌申斯基
分布式光纤传感器
•
6、黄金时代是在我们的前面，而不在 我们的 后面。
•
7、心急吃不了热汤圆。
•Leabharlann 8、你可以很有个性，但某些时候请收 敛。
•
9、只为成功找方法，不为失败找借口 (蹩脚 的工人 总是说 工具不 好)。
•
10、只要下定决心克服恐惧，便几乎 能克服 任何恐 惧。因 为，请 记住， 除了在 脑海中 ，恐惧 无处藏 身。-- 戴尔． 卡耐基 。
21、要知道对好事的称颂过于夸大，也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒。——培根 22、业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。——韩愈
23、一切节省，归根到底都归结为时间的节省。——马克思 24、意志命运往往背道而驰，决心到最后会全部推倒。——莎士比亚
25、学习是劳动，是充满思想的劳动。——乌申斯基
分布式光纤传感器
•
6、黄金时代是在我们的前面，而不在 我们的 后面。
•
7、心急吃不了热汤圆。
•Leabharlann 8、你可以很有个性，但某些时候请收 敛。
•
9、只为成功找方法，不为失败找借口 (蹩脚 的工人 总是说 工具不 好)。
•
10、只要下定决心克服恐惧，便几乎 能克服 任何恐 惧。因 为，请 记住， 除了在 脑海中 ，恐惧 无处藏 身。-- 戴尔． 卡耐基 。
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16
光时域反射 (OTDR)技术
散射型分布式传感技术对被测量的空间定位多基于光时域 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）。
分布式光纤传感 技术与应用
内容概要
光纤传感技术简介 光纤传感器的分类 光纤传感技术的发展 分布式光纤传感技术
相位调制型分布式传感器 散射型分布式传感器
分布式光纤传感技术的应用
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：
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）。
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。
随机干扰
干涉臂相位的随机变化
Tcross cos2(L12L2)
干涉仪输出功率的随机变化
以M-Z干涉仪作为周界监 控系统时，入侵事件出 现将导致接收信号功率 的变化
8
大家有疑问的，可以询问和交流
可以互相讨论下，但要小声点
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
5
相位调制型光纤传感器
相位调制
当光纤受到机械应力作用时，光纤的长度、芯径、 纤芯折射率都将发生变化，这些变化将导致光波 的相位变化.
2neffLL
2ne ff/ 是光在光纤中的传播常数
由于相位变化很难直接检测，所以实 际中通常使光发生干涉，将相位的变 化转变为光强的变化进行检测，之后 再解调获得相位变化
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
指分布式光有相互制约的关系。
4
典型的分布式光纤传感器
相位调制型传感器
Mach-Zehnder干涉式传感器 Sagnac干涉式传感器
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
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。
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。
3
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
17
利用OTDR技术测量光纤沿线背向反射光功率的结果
(3)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。
光的干涉
光的干涉条件：
P
相干光源S1、S2发出的光 S 1
r1
波在空间P点相遇，两列波
在P点的干涉本质上是两个
r2
同方向、同频率的电磁简
谐振动的叠加。
S2
相干条件：
E1 a1cosk(1rt) E2 a2cosk(2rt)
①频率相同 ②振动方向相同 ③相位差恒定
(1)M-Z干涉型光纤传感器用作分布式振动传感
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
13
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
14
(1)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
15
（2）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。
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
生干扰的位置。
T(L2Z)/V11
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
利用M-Z干涉仪进行分布式传感的系统结构图 12
(2) 光纤SAGNAC干涉型分布式传感器
19
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
20
BOTDR——传感原理
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
10
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
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。
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 差，可用于转动传感
光时域反射 (OTDR)技术
散射型分布式传感技术对被测量的空间定位多基于光时域 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）。
分布式光纤传感 技术与应用
内容概要
光纤传感技术简介 光纤传感器的分类 光纤传感技术的发展 分布式光纤传感技术
相位调制型分布式传感器 散射型分布式传感器
分布式光纤传感技术的应用
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：
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）。
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。
随机干扰
干涉臂相位的随机变化
Tcross cos2(L12L2)
干涉仪输出功率的随机变化
以M-Z干涉仪作为周界监 控系统时，入侵事件出 现将导致接收信号功率 的变化
8
大家有疑问的，可以询问和交流
可以互相讨论下，但要小声点
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
5
相位调制型光纤传感器
相位调制
当光纤受到机械应力作用时，光纤的长度、芯径、 纤芯折射率都将发生变化，这些变化将导致光波 的相位变化.
2neffLL
2ne ff/ 是光在光纤中的传播常数
由于相位变化很难直接检测，所以实 际中通常使光发生干涉，将相位的变 化转变为光强的变化进行检测，之后 再解调获得相位变化
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
指分布式光有相互制约的关系。
4
典型的分布式光纤传感器
相位调制型传感器
Mach-Zehnder干涉式传感器 Sagnac干涉式传感器
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
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。
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。
3
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
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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
(3)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。
光的干涉
光的干涉条件：
P
相干光源S1、S2发出的光 S 1
r1
波在空间P点相遇，两列波
在P点的干涉本质上是两个
r2
同方向、同频率的电磁简
谐振动的叠加。
S2
相干条件：
E1 a1cosk(1rt) E2 a2cosk(2rt)
①频率相同 ②振动方向相同 ③相位差恒定
(1)M-Z干涉型光纤传感器用作分布式振动传感
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
13
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
14
(1)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
15
（2）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。
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
生干扰的位置。
T(L2Z)/V11
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
利用M-Z干涉仪进行分布式传感的系统结构图 12
(2) 光纤SAGNAC干涉型分布式传感器
19
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
20
BOTDR——传感原理
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
10
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
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。
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 差，可用于转动传感