分佈式光纖傳感器

分佈式光纖傳感系統原理是同時利用光纖作為傳感敏感元件和傳輸信號介質，採用先進的otdr技術和ofdr技術，探測出沿着光纖不同位置的温度和應變的變化，實現真正分佈式的測量。 　micron optics温度測量原理是基於raman散射效應的分佈式温度傳感系統；應變測量原理是基於brillouin散射的分佈式温度和應變傳感系統，它可以同時測量温度和應變。

①分佈式光纖傳感系統中的傳感元件僅為光纖； 　②一次測量就可以獲取整個光纖區域內被測量的一維分佈圖，將光纖架設成光柵狀，就可測定被測量的二維和三維分佈情況； 　③otdr系統的空間分辨力一般在米的量級，ofdr技術空間分辨率可達到毫米量級； 　④系統的測量精度與空間分辨力一般存在相互制約關係； 　⑤檢測信號一般較微弱，因而要求信號處理系統具有較高的信噪比； 　⑥由於在檢測過程中需進行大量的信號加法平均、頻率的掃描、相位的跟蹤等處理，因而實現一次完整的測量需較長的時間。

1、結構監測 : 大型結構的應力應變和温度監測 　(管道, 近海石油平台, 油井, 大壩, 堤壩, 橋樑, 建築物, 隧道, 電纜, ...). 　2、滲漏探測 : 液體或天然氣管道, 工業處理, 大壩, 罐體. 　3、交通運輸 : 路面的結冰探測, 鐵路監測, ... 　4、安全系統 : 火情或過熱温度探測, 電力電纜監視, 信號竊聽監視, 垃圾處理站監測, 山體滑坡監測. 　5、光纖通信 : 光纖光纜生產在線控制, 光纜維護, 工作光纜應變監測, 光纖攙雜物測量. 　6、環境測量 : 熱, 通風和空氣條件(hvac), 外界海洋，森林，野外場所的長期温度測量。

由於分佈式光纖傳感技術能夠實現大範圍測量場中分佈信息的提取，因而它可解決目前測量領域的眾多難題，而分佈式光纖傳感器是採用分佈式光纖傳感技術的裝置。分佈式光纖傳感技術是在70年代末提出的，它是隨着現在光纖工程中仍應用十分廣泛的光時域反射(otdr)技術的出現而發展起來的．在這十幾年裏，產生了一系列分佈式光纖傳感機理和測量系統，並在多個領域得以逐步應用．目前，這項技術已成為光纖傳感技術中最具前途的技術之一． 　1、分佈式光纖傳感技術的特點 　分佈式光纖傳感技術具有同時獲取在傳感光纖區域內隨時間和空間變化的被測量分佈信息的能力，其基本特徵為]： 　①　分佈式光纖傳感系統中的傳感元件僅為光纖； 　②　一次測量就可以獲取整個光纖區域內被測量的一維分佈圖，將光纖架設成光柵狀，就可測定被測量的二維和三維分佈情況； 　③　系統的空間分辨力一般在米的量級，因而對被測量在更窄範圍的變化一般只能觀測其平均值； 　④　系統的測量精度與空間分辨力一般存在相互制約關係； 　⑤　檢測信號一般較微弱，因而要求信號處理系統具有較高的信噪比； 　⑥　由於在檢測過程中需進行大量的信號加法平均、頻率的掃描、相位的跟蹤等處理，因而實現一次完整的測量需較長的時間． 　2、分佈式光纖傳感技術研究現狀 　分佈式光纖傳感技術一經出現，就得到了廣泛的關注和深入的研究，並且在短短的十幾年裏得到了飛速的發展．依據信號的性質，該類傳感技術可分為4類：①利用後向瑞利散射的傳感技術；②利用喇曼效應的傳感技術；③利用布里淵效應的傳感技術；④利用前向傳輸模耦合的傳感技術．

圖1是分佈式光纖傳感器原理框圖 　圖2總結了用於構成分佈式光纖傳感器系統的各種技術。典型的是利用對特定被測場增敏的傳感光纖，測量沿光纖長度上的基本損耗或散射。通常採用otdr (光時域反射計)技術，從輸出信息中獲得被測場的空間變化信息。因此，此種連續分佈傳感器可以一定的空間分辨率獲取被測場沿光纖長度的分佈。otdr技術是目前在光纖通訊中作為故障(如斷點)定位和診斷的必不可少的設備。 　分佈式光纖傳感器最基本的形式是直接採~otdr探測沿光纖長局部過大的損耗(例如由微彎引起了產生的後向散射光)。 　最初演示的分佈式光纖温度傳感．是利用了後向散射係數隨温度變化的特徵 為了提高測量靈敏度，採用了液芯光纖。這種方案的缺點是實芯光纖靈敏度極低，液芯光纖又不切實際且接收信號與模式結構有關。 　另一種分佈式光纖傳感器，是應用偏振光時域反射計(potdr)探測單模光纖中瑞利後向散射光偏振態作為時間函數的變化。由於單模光纖中雙折射參數對許多物理量敏感，如應變、壓力， 電場、磁場等。所以這種衍生的otdr技術具有廣闊的應用潛力。 　基本的otdr技術實質上是一種光學雷達。普通雷達和分佈式光纖傳感器中應用的光學測距之間在原理上是相似的。為了提高測量的空間分辨率， 又衍生了各種技術，如連續波調額測距(fmcw)，這些技術本質上是光頻域反射技術(ofdr)。 　若干研究者報導了利用拉曼散射與温度的關係構成分佈式温度傳感。一種是用改進的otdr分析斯托克斯與反斯托克斯後向散射分量之比。最近報導了只測量反斯托克斯分量和雙端拉曼otdr的分佈温度傳感， 測量長度達950m， 温度分辨率。 　此方案主要不足之處是拉曼散射係數很小， 幾乎比瑞利散射低3個數量級，因此需要大功率激光器及高增益低噪聲放大器。 　近來有人研究了利用稀土光纖的温度與吸收或與熒光的關係構成分佈式温度傳感。然而利用熒光特性要求稀土光纖有短的熒光壽命。以期達到要求的分辨率，故實現困難。 　當前，也開展了利用非線性光學效應構成分佈光纖傳感。如研究受激拉曼放大和光學克爾效應。也報導了採用高雙折射光纖偏振模式耦台及新穎的干涉方案等。近幾年光頻域反射技術(ofdr)取得巨大進展，它不僅可以檢測光纖通訊中故障(如斷點)定位和診斷，分辨率可達10um，而且可以測量温度或應變，傳感空間分辨可達1mm，是目前分辨率最高的一種技術，但測試距離較短，一般可達到100m。

1、實現單根光纖上多個物理參數(温度和應變)或化學參數的同時測量； 　2、提高測量系統的測量範圍，減少測量時間； 　3、提高信號接收和處理系統的檢測能力，提高系統的空間分辨率和測量不確定度； 　4、基於二維或多維的分佈式光纖傳感器網絡將成為光纖傳感器的研究方向。