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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
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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
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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。
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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。
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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
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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
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(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
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（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
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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
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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
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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