分布式光纤传感器

原理

　　分布式光纤传感系统原理是同时利用光纤作为传感敏感元件和传输信号介质，采用先进的OTDR技术，探测出沿着光纤不同位置的温度和应变的变化，实现真正分布式的测量。

　　Micron Optics温度测量原理是基于Raman散射效应的分布式温度传感系统；应变测量原理是基于Brillouin散射的分布式温度和应变传感系统，它可以同时测量温度和应变。

特点

　　①分布式光纤传感系统中的传感元件仅为光纤；

　　②一次测量就可以获取整个光纤区域内被测量的一维分布图，将光纤架设成光栅状，就可测定被测量的二维和三维分布情况；

　　③系统的空间分辨力一般在米的量级，因而对被测量在更窄范围的变化一般只能观测其平均值；

　　④系统的测量精度与空间分辨力一般存在相互制约关系；

　　⑤检测信号一般较微弱，因而要求信号处理系统具有较高的信噪比；

　　⑥由于在检测过程中需进行大量的信号加法平均、频率的扫描、相位的跟踪等处理，因而实现一次完整的测量需较长的时间。

应用领域

　　1、结构监测 : 大型结构的应力应变和温度监测

　　(管道, 近海石油平台, 油井, 大坝, 堤坝, 桥梁, 建筑物, 隧道, 电缆, ...).

　　2、渗漏探测 : 液体或天然气管道, 工业处理, 大坝, 罐体.

　　3、交通运输 : 路面的结冰探测, 铁路监测, ...

　　4、安全系统 : 火情或过热温度探测, 电力电缆监视, 信号窃听监视, 垃圾处理站监测, 山体滑坡监测.

　　5、光纤通信 : 光纤光缆生产在线控制, 光缆维护, 工作光缆应变监测, 光纤搀杂物测量.

　　6、环境测量 : 热, 通风和空气条件(HVAC), 外界海洋，森林，野外场所的长期温度测量。

技术介绍

　　由于分布式光纤传感技术能够实现大范围测量场中分布信息的提取，因而它可解决目前测量领域的众多难题，而分布式光纤传感器是采用分布式光纤传感技术的装置。分布式光纤传感技术是在70年代末提出的，它是随着现在光纤工程中仍应用十分广泛的光时域反射(OTDR)技术的出现而发展起来的．在这十几年里，产生了一系列分布式光纤传感机理和测量系统，并在多个领域得以逐步应用．目前，这项技术已成为光纤传感技术中前途的技术之一．

　　1、分布式光纤传感技术的特点

　　分布式光纤传感技术具有同时获取在传感光纤区域内随时间和空间变化的被测量分布信息的能力，其基本特征为[1]：

　　①　分布式光纤传感系统中的传感元件仅为光纤；

　　②　一次测量就可以获取整个光纤区域内被测量的一维分布图，将光纤架设成光栅状，就可测定被测量的二维和三维分布情况；

　　③　系统的空间分辨力一般在米的量级，因而对被测量在更窄范围的变化一般只能观测其平均值；

　　④　系统的测量精度与空间分辨力一般存在相互制约关系；

　　⑤　检测信号一般较微弱，因而要求信号处理系统具有较高的信噪比；

　　⑥　由于在检测过程中需进行大量的信号加法平均、频率的扫描、相位的跟踪等处理，因而实现一次完整的测量需较长的时间．

　　2、分布式光纤传感技术研究现状

　　分布式光纤传感技术一经出现，就得到了广泛的关注和深入的研究，并且在短短的十几年里得到了飞速的发展．依据信号的性质，该类传感技术可分为4类：①利用后向瑞利散射的传感技术；②利用喇曼效应的传感技术；③利用布里渊效应的传感技术；④利用前向传输模耦合的传感技术．

现状分析

　　图1是分布式光纤传感器原理框图

　　图2总结了用于构成分布式光纤传感器系统的各种技术。典型的是利用对特定被测场增敏的传感光纤，测量沿光纤长度上的基本损耗或散射。通常采用0TDR (光时域反射计)技术，从输出信息中获得被测场的空问变化信息。因此，此种连续分布传感器可以一定的空间分辨率获取被测场沿光纤长度的分布。OTDR技术是目前在光纤通讯中作为故障(如断点)定位和诊断的必不可少的设备。

　　分布式光纤传感器最基本的形式是直接采~OTDR探测沿光纤长局部过大的损耗(例如由微弯引起了产生的后向散射光)。

　　最初演示的分布式光纤温度传感．是利用了后向散射系数随温度变化的特征 为了提高测量灵敏度，采用了液芯光纤。这种方案的缺点是实芯光纤灵敏度极低，液芯光纤又不切实际且接收信号与模式结构有关。

　　另一种分布式光纤传感器，是应用偏振光时域反射计(POTDR)探测单模光纤中瑞利后向散射光偏振态作为时间函数的变化。由于单模光纤中双折射参数对许多物理量敏感，如应变、压力， 电场、磁场等。所以这种衍生的OTDR技术具有广阔的应用潜力。

　　基本的OTDR技术实质上是一种光学雷达。普通雷达和分布式光纤传感器中应用的光学测距之间在原理上是相似的。为了提高测量的空间分辨率， 又衍生了各种技术，如连续波调额测距(FMCW)，这些技术本质上是光频域反射技术(OFDR)。

　　若干研究者报导了利用拉曼散射与温度的关系构成分布式温度传感。一种是用改进的OTDR分析斯托克斯与反斯托克斯后向散射分量之比。最近报导了只测量反斯托克斯分量和双端拉曼OTDR的分布温度传感， 测量长度达950m， 温度分辨率。

　　此方案主要不足之处是拉曼散射系数很小， 几乎比瑞利散射低3个数量级，因此需要大功率激光器及高增益低噪声放大器。

　　近来有人研究了利用稀土光纤的温度与吸收或与荧光的关系构成分布式温度传感。然而利用荧光特性要求稀土光纤有短的荧光寿命。以期达到要求的分辨率，故实现困难。

　　当前，也开展了利用非线性光学效应构成分布光纤传感。如研究受澈拉曼放大和光学克尔效应。也报导了采用高双折射光纤偏振模式耦台及新颖的干涉方案等。

技术发展

　　1、实现单根光纤上多个物理参数(温度和应变)或化学参数的同时测量；

　　2、提高测量系统的测量范围，减少测量时间；

　　3、提高信号接收和处理系统的检测能力，提高系统的空间分辨率和测量不确定度；

　　4、基于二维或多维的分布式光纤传感器网络将成为光纤传感器的研究方向。