基于p-otdr分布式光纤传感器若干问题研究

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1、本文通过P—OTDR测量系统的实验研究，希望能为P．OTDR的实用化向前推进一步。1．2基于OTDR传感技术国内外研究现状各种光纤传感器中，分布式光纤传感器最有吸引力。光纤的低损耗特性可以实现长距离传感，加上它的价格与点式传感器组合起来形成的传感网络相比便宜的多，在大型结构，如桥梁、水坝、工业烟囱和管道等及易燃、易爆、强电磁场干扰等场合应用时显得格外优越，研究工作受到各国研究人员的普遍关注。要成为分布式传感器，就要满足3个主要条件：首先，应构造(或选择)一个能够以待测参数调制光的传播光纤；其次，必须

2、能探测由于被测参数变化引起的传输(或光发散)的变化；第三，必须定位传播变化发生的区域，以达到预期的空间分布。一个分布式传感器的传感与传输部分由一个连续长度的光纤组成，通常沿其长度无孔或分支。因此，需利用光纤中光的传播延迟来确定待测量引起的传输或散射特性的变化地点。这些传播延迟可将不同传播模中的传输光到达时间差同光纤的距离相联系。目前，分布式光纤传感器多是利用光纤中的散射光或荧光所提供的物理信息，而采用OTDR技术进行探测更是一种典型做、法【¨】。光纤中光散射一般包括喇曼散射(RamanScatter

3、ing)，布罩渊散射(BrillouinScattering)和瑞利散射(Rayleighscattering)三种机制。瑞利散射光与物质发生的弹性散射¨引，光波长不发生变化，喇曼散射和布里渊散射是光与物质发生非弹性散射，散射光的波长有变化。1．2．1基于自发Raman散射的OTDR1985年，Dakin提出，通过测量喇曼散射中的反斯托克斯光与斯托克斯光强度比值，可对光纤沿线的温度信息进行测量，从而实现分布式光纤温度传感器【l31。基本原理为：在光纤中传播得激光脉冲光子与光纤材料分子热振动相互作用，

4、发生能量交换，产生不同于入射光波长的喇曼散射光。如果一部分光能转换成热振动，那么将散射出一个比入射光波长长的光，称为喇曼斯托克斯(RamanStokes)光；如果一部分热振动转换为光能，那么将发出一个比入射光波长短的光，称为喇曼反斯托克斯(RamanAnti--Stokes)光。斯托克斯光与反斯托克斯光的强度比和温度的关系可由下面的式子表示：尺(丁)=％／‘=(砧／如)·exp(一hcu／KT)n．1、式中：h为普朗克常量；c为真空中的光速；U为波数偏移量；k为波尔兹曼常3量；T为热力学温度。从上式

5、中可以看出，斯托克斯光与反斯托克斯光的强度比R(T)仅与温度T有关，而与光强、入射条件、光纤几何尺寸及光纤成分无关。据此，可以借助探测反斯托克斯及斯托克斯后向拉曼散射光强的比值来实现光纤沿线温度的分布式测量。如图1．1所示，为该类传感器的基本结构框刚14】。两种喇曼后向散射光(斯托克斯光和反斯托克斯光)经波分复用器后被分离，然后被光电接收放大组件接收转变为电信号并放大，再经信号处理系统处理转变为温度信号。作为一种双通道测量方法，可以有效消除光源的不稳定和光纤传输与耦合的随机噪声的影响，比较实用。图1

6、-1基于白发喇曼效应的OTDRFigl-1BasedonthespontaneousRamaneffectOTDR采用斯托克斯光与反斯托克斯光的强度比可消除光纤的固有损耗和不均匀性带来的影响。基于拉曼散射的分布式温度传感技术是分布式光纤传感技术中最为成熟的一项技术。开展该技术研究工作的主要有英国的皇家学院(King’SCollege)【15】．中国的重庆大学【161和中国计量学院【171。目前，该类传感器的一些产品已出现在国际、国内市场，最为著名的是英国York公司的DTS80，它的空间分辨力和温度

7、分辨力分别能达到1m、10C，测量范围为4---,8km。自发Raman散射OTDR系统的主要缺点是散射光信号极其微弱，大约为入射光的10一。为避免信号处理过程中信号平均时间过长，需要大幅度提高脉冲激光源的峰值功率，从而严重地限制系统的性能。此外喇曼散射只能实现对光纤温度的测量也限制这种类型分布式传感器的应用。新一代系统(YorkSensorsDTS800)选择使用YQ开关光纤激光源，空间分辨率达lm以下，测量范围可达到10km。RamanDTS现在已被当作实际传感器，且对其他参数，如应变、压力、光

8、纤及包层形状变化等，有较低的变扰灵敏度。它已用于监测电子机械、电缆及传输器、火点定位及工业设备传感等。1．2．2基于Brillouin散射的OTDR光纤中存在因热运动和弹性波运动而产生的声学声子，当光波在光纤中传播时，光纤中的光学光子和声学声子发生非弹性碰撞相互作用产生布里渊散射。在布里渊散射过程中，散射光的频率相对入射光的有一个频移，通常称为布里渊频移。光纤中布里渊频移1，。主要由入射光频率K、光纤介质折射率n、光纤内声速y等决定：冶2(2Vo／c)刀y(1-2)其