分布式光纤传感技术

分布式光纤传感技术

瑞利散射是入射光与介质中的微观粒子发生弹性碰撞引起的，散射光的频率与入射光的频率相同。一般采用光时域反射（OTDR ）结构来实现被测量的空间定位。瑞利散射的原理是沿光纤传播的光在纤芯内各点都会有损耗，一部分光沿着与光纤传播方向成180°的方向散射，返回光源。利用分析光纤中后向散射光的方法测量因散射、吸收等原因产生的光纤传输损耗和各种结构缺陷引起的结构性损耗，通过显示损耗与光纤长度的关系来检测外界信号场分布于光纤上的扰动信息。由于瑞利散射属于本征损耗，因此可以作为应变场检测参量的信息载体，提供沿光路全程的单值连续检测信号。

利用光时域反射（OTDR ）原理来实现对空间分布的温度的测量。当窄带光脉冲被注入到光纤中去时，该系统通过测后向散射光强随时间变化的关系来检查光纤的连续性并测出其衰减。入射光经背向散射返回到光纤入射端所需的时间为t ，激光脉冲在光纤中所走过的路程为2L=v*t 。v 是光在光纤中传播的速度，v=c/n ，c 为真空中的光速，n 为光纤的折射率。在t 时刻测量的是离光纤入射端距离为L 处局域的背向散射光。采用OTDR 技术，可以确定光纤处的损耗，光纤故障点、断点的位置。

可以看出，在光纤背向散射谱分布图中，激发线0v 两侧的频谱是成对出现的。在低频一侧频率为0v v -∆的散射光为斯托克斯光Stokes ；在高频的一侧频率为0v v +∆的散射光为反斯托克斯光anti-Stoke ，它们同时包含在拉曼散射和布里渊散射谱中。

光纤中的散射光谱

1. 基于瑞利散射的光纤传感技术原理

瑞利散射主要特点有：

(1) 瑞利散射属于弹性散射，不改变光波的频率，即瑞利散射光与入射光具有相同的波长。

(2) 散射光强与入射光波长的四次方成反比，即

上式表明，入射光的波长越长，瑞利散射光的强度越小。

(3) 散射光强随观察方向而变，在不同的观察方向上，散射光强不同，可表示为 其中，θ为入射光方向与散射光方向的夹角；0I 是/2θπ=方向上的散射光强。

(4) 散射光具有偏振性，其偏振程度取决于散射光与入射光的夹角。自然光入射到各项同性介质中，在垂直于入射方向上的散射光是线偏振光，在原入射光及其反方向上，散射光仍是自然光，在其他方向上是部分偏振光，偏振程度与θ角有关。

对于光纤中脉宽为W 的脉冲光，它的瑞利散射功率P R 为

当光波在光纤中向前传输时，会在光纤沿线不断产生背向的瑞利散射光，根据式(3-3)可知，这些散射光的功率与引起散射的光波功率成正比。由于光纤中存在损耗，光波在光纤中传播时能量会不断衰减，因此光纤中不同位置处产生的瑞利散射信号便携带有光纤沿线的损耗信息。另外，由于瑞利散射发生时会保持散射前光波的偏振态，所以瑞利散射信号同时包含光波偏振态的信息。因此，当瑞利散射光返回到光纤入射端后，通过检测瑞利散射信号的功率、偏振态等信息，可对 外部因素作用后光纤中出现的缺陷等现象进行探测，从而实现对作用在光纤上的相关参量如压力、弯曲等的传感。

2. 光时域反射（OTDR ）技术

2.1 OTDR 原理

光时域反射技术用于检测光纤的损耗特性，它是检测光纤衰减、断裂和进

行空间故障定位的有力手段，同时也是全分布光纤传感技术的基础。

OTDR 的工作原理图如图所示，将一束窄的探测脉冲光通过双向耦合器注入

光纤中，脉冲光在光纤中向前传输时会不断产生背向瑞利散射光，背向瑞利散射光通过该双向耦合器耦合到光电检测器中。设从光纤发射端面发出脉冲光，到接收到该脉冲光在光纤中L 处产生的瑞利散射光所需要的时间为t ，则在t 时间内，光波从发射端至该位置往返传播了一次，因此该位置距起始端的距离L 为 /2L vt = 其中，v 是光在光纤中的传播速度；t 为从发出脉冲光到接收到某位置产生的瑞利散射光所需要的时间。

设光纤的衰减系数为α，则脉冲光传播到光纤L 位置处时的峰值的功率为

0()L P z P e α-= 根据式（3-3）可知在该处产生的瑞利散射功率为

0()2

L R S v P z P e S W αα-= 当它返回到光电探测器时，其功率变为

由式（3-7）可见，OTDR 得到的光纤沿线的瑞利散射曲线为一条指数衰减的

曲线，该曲线表示出了光纤沿线的损耗情况。当脉冲光在光纤中传播的过程中遇到裂纹、断点、接头、弯曲、端点等情况时，脉冲光产生一个突变的反射或衰减，根据式（3-4）可以获得该点的位置，因此可实现对这些状况的检测。图3-3显示了光纤上典型的事件点对应的OTDR 曲线。图中纵轴采用对数单位，因此OTDR 显示的曲线为直线。

OTDR 探测曲线

2.2 OTDR 系统

OTDR 的系统结构如下图所示，脉冲发生器驱动光源产生探测光脉冲，探测光脉冲经定向耦合器注入被测光纤，其在被测光纤中的背向瑞利散射和反射信号经定向耦合器输出被光电探测器接收，光电探测器输出的电流信号经放大和模数转换后经数字信号处理得到探测曲线。信号控制及处理单元设有时钟，对脉冲发生器和模数转换单元进行触发和计时，实现对光纤各个位置散射点的定位。另外，通过对接收到的电信号进行处理可得到各个散射位置处的功率信息。

OTDR 系统结构图

由于OTDR 直接探测背向瑞利散光的规律，光源输出功率越高，背向散射信号就越强，探测距离越大。因此，OTDR 通常使用带宽为数十纳米的宽带光源。这一方面是为了获得高的测量动态范围，另一方面是为了避免窄线宽的高功率激光脉冲在光纤中传输引起的非线性效应对OTDR 性能的影响。

2.3 OTDR 的性能指标

OTDR 的性能指标包括动态范围、空间分辨率、测量盲区、工作波长、采样点、存储空间、质量、体积等。作为全分布式传感器，其主要性能指标有动态范围、空间分辨率和测量盲区。

(1) 动态范围

动态范围定义为初始背向散射功率和噪声规律之差，单位为对数单位（dB ）。

动态范围是OTDR 非常重要的一个参数，通常用它来对OTDR 性能进行分类。它表明了可以测量的最大光纤损耗信息，直接决定了可测光纤的长度。

(2) 空间分辨率

空间分辨率显示了仪器能分辨两个相邻事件的能力，影响这定位精度和时间

识别的准确性。对OTDR 而言，空间分辨率通常定义为事件反射峰功率的

10%~90%这段曲线对应的距离。空间分辨率通常由探测光脉冲宽度决定，若