分布式光纤传感原理
传感器系统
测温区域 Raman 散射光
两个滤波器
光纤中自发拉曼散射的反斯托克斯光与温度紧密相关。 常温下(T=300K)其温敏系数为8‰/℃。 采用反斯托克 斯与斯托克斯比值的分布式光纤温度测量，其结果消 除了光源波动、光纤弯曲等因素的影响，只与沿光纤 的温度场有关，因此可长时间保证测温精度。
基于布里渊散射的分布式光纤传感技术
分布式光纤传感
准分布式光纤传感原理
•
• 1. 2. 3. 4. 5.
将呈一定空间分布的相同类型的光纤传感器耦合到 一根或多根光纤总线上，通过寻址、解调，检测出 被测量的大小及空间分布，光纤总线仅起传光作用。 寻址方式 时分复用（TDM-Time Division Multiplex) 波分复用（WDM-Wavelength Division Multiplex) 偏分复用（PDM-Polarization Division Multiplex) 空分复用（SDM-Space Division Multiplex) 频分复用（FDM-Frequency Division Multiplex)
时分复用（TDM）
• 光纤对光波的延迟效应来寻址 • 脉宽小于光纤总线上相邻传感器的传输时 间 • 光纤总线输入端注入，各传感器距光脉冲 发射端距离不同。 • 接收到每个脉冲对应一个传感器，延时对 应地址 • 光脉冲变化量反映该点被测量的大小
时分复用示意图
光时域反射（OTDR）技术
• Optical Time Domain Reflectometry
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 • 利用拉曼散射——R-OTDR
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
7
光学声子
利用OTDR技术测量光纤沿线背向反射光功率的结果
衰减系数
基于瑞利散射的传感系统
BOTDR系统从一端输入泵浦脉冲， 在同一端检测返回信号的中心 波长和功率。使用方便，但自 发布里渊散射信号很微弱，检 测困难。
在 BOTDA 中，处于光纤两端的可 调谐激光器分别将一脉冲光 （泵浦光）与一连续光（探测 光）注入传感光纤。利用受激 布里渊散射效应，谱范围连续不断的进行循环扫 描，获得各个时间段上的光谱，并将时 间与位置相对应，即可获得沿光纤各位 置处的布里渊频谱图，并获得异常的布 里渊频移量和散射光功率。
15
几种散射式传感技术的比较
应用场合 优点 缺点 断点、损 连续显示衰减 OTDR 有盲区 伤检测 情况 要求极窄线宽、可 应力、温 测量精度和分 BOTDR 调线宽激光器；交 度 辨率高 叉干扰；功率低 测量精度和分 系统复杂；两端测 应力、温 BOTDA 辨率高，大动 量；不能检测断点； 度 态范围 交叉干扰 返回的信号弱，大 ROTDR 温度 较高测温精度 功率光源
a.分布式温 度传感方案
光纤蒙皮
沿光纤传输光的 背向散射分量 光纤温度传 感元平面 输出信号
损伤探测
b.分布式应 力传感方案 埋入光纤 应力传感 元
输入信号
光纤监测网
输出信号
24
输入信号
温度场分布
分布式光纤传感技术的应用——管道泄露 监测
25
各种分布式光纤传感技术的应用
传感原理 传感监测量 B-OTDR 应力，温度 R-OTDR
光源
后向散射 入射光脉冲
检测器
基于拉曼散射的分布式光纤传感技术
• 斯托克斯光与反斯托克斯光的强度比和温度关系： • Anti-stokes 光强会随温度变化。 • Stokes光强与温度无关
hcv0 1 T . k ln a ln( I as ) Is
其中a为与温度 相关的系数
优点：两个光强之比，与光源强度无关，因此光纤老化， 损耗，仍可保证测温精度。
16
波分复用（WDM）
• 通过光纤总线上各传感器的调制信号的特 征波长来寻址。 • 宽带光束注入光纤，各个传感器的特征波 长不同，通过滤波系统求出被测信号的大 小和位置
波分复用示意图
FBG传感器在隧道 锚杆支护结构监测的应用研究
频分复用和空分复用
• 将多个光源调制在不同的频率上，经过各 分立的传感器后汇集在光纤总线上，每个 传感器的信息包含在总线信号中的对应频 率上。 • 空分复用是将各个传感器的接受光纤的终 端按空间位置编码，通过扫描机构控制选 通光开光选址。
M-Z Sagnac
温度
微振动 较有规律 的微振动
应用领域 管道泄露监测，结构健 康监测等 油气油井里温度分布监 测、管道泄露监测等 周界防护等 气体管道泄露监测、周 界防护等
26
分布式光纤传感技术的应用
22
分布式光纤传感技术的应用——周界防护
光缆传感监控系统工程施工实例
根据防范的不同场合和要求， 光纤可以构成各种形状，环 置于需要防范的周界处的适 当位置，当入侵者侵入时， 系统都会发出告警信号
23
分布式光纤传感技术用于航空领域的多参 量监测
传感器布测区域 太空飞船X-38的再入式实验飞行器 （NASA图片）
