全分布式光纤传感技术

许红彬全分布式光纤传感技术提纲全分布式光纤传感技术简介关于PPP-BOTDA的说明NBX-6050A操作说明应用实例简介Part.1全分布式光纤传感技术简介1散射光2分布式光纤传感技术分布式传感技术光的散射当光（电磁）波射入介质时，若介质中存在某些不均匀性（如电场、相位、粒子数密度n、声速v等）使光（电磁）波的传播发生变化，有一部分能量偏离预定的传播方向而向空间中其他任意方向弥散开来，这就是光散射。光的散射现象的表现形式是多种多样的，从不同的角度出发，可有不同的分类，但从产物的物理机制来看，可以分为两大类非纯净介质中的光散射纯净介质中的散射非纯净介质中的光散射该散射现象不是介质本身所固有的，而强烈地依赖于掺杂进来的散射中心的性质或介质本身的纯净度。其规律主要表现为：散射光的频率与入射光的频率相同；散射光的强度与入射波长成一定关系。纯净介质中的散射即使所考虑的介质是由成分相同的纯物质组成，其中不含有外来掺杂的质点、颗粒或结构缺陷等，仍然有可能产生光的散射现象，这些散射现象是介质本身所固有的，与介质本身的纯净度没有本质上的关系。属于这类纯净介质的散射现象有如下几种：瑞利散射设介质是由相同的原子或分子组成，由于这些原子或分子空间分布的随机性的统计起伏（密度起伏），造成与电极化特性相应的随机性起伏，而形成入射光的散射。这种散射现象的特点是频率与入射光频率相同，在散射前后原子或分子内能不发生变化，散射光强度与入射光波长的四次方成反比。拉曼散射这种散射现象通常发生在由分子组成的纯净介质中，组成介质的分子是由一定的原子或离子组成的，它们在分子内部按一定的方式运动（振动或转动），分子内部粒子间的这种相对运动将导致感生电偶极矩随时间的周期性调制，从而可以产生对入射光的散射作用；在单色光入射的情况下，这将是散射光的频率相对于入射光发生一定的移动，频移量正好等于上述调制频率，亦即与散射分子的组成和内部相对运动规律有关。布里渊散射对于任何种类的纯净介质来说，由于组成介质的质点群连续不断的做热运动，使得在介质内始终存在着不同程度上的弹性力学振动或声波场。连续介质的这种宏观弹性力学振动，意味着介质密度（从而也是折射率）随时间和空间的周期性起伏，因而可对入射光产生散射作用，这种作用类似于超声波对光的衍射作用，并且散射光的频移大小与散射角及介质的声波特性有关。基于瑞利散射的分布式光纤传感技术瑞利散射的原理是沿光纤传播的光在纤芯内各点都会有损耗，一部分光沿着与光纤传播方向成180°的方向散射，返回光源。利用分析光纤中后向散射光的测量因散射、吸收等原因产生的光纤传输损耗和各种结构缺陷引起的结构性损耗，通过显示损耗与光纤长度的关系来检测外界信号场分布于光纤上的扰动信息。由于瑞利散射属于本征损耗，因此可以作为应变场检测参量的信息载体，提供沿光路全程的单值连续检测信号。基于瑞利散射的分布式光纤传感技术瑞利散射是入射光与介质中的微观粒子发生弹性碰撞所引起的，散射光的频率与入射光的频率相同．在利用后向瑞利散射的光纤传感技术中，一般采用光时域反射（OTDR）结构来实现被测量的空间定位，典型传感器的结构如下图所示．依据瑞利散射光在光纤中受到的调制作用，该传感技术可分为强度调制型和偏振态调制型。基于拉曼散射的分布式光纤传感技术拉曼散射中，反斯托克斯光（anti-Stokes）对温度敏感，其强度受温度调制，而斯托克斯（Stokes）基本上与温度无关，两者光强度比只和温度有关，并可有下式表示：基于拉曼散射的分布式光纤传感技术因此，以反斯托克斯光作为信号通道，斯托克斯光作为参考通道，检测两者光强的比值，就可以解调出散射区的温度信息，同时还可以有效的消除光源的不稳定以及光线传输过程中的耦合损耗、光纤弯曲损耗和传输损耗等的影响。拉曼散射分布式光纤传感器的唯一不足之处是返回信号相当弱，因为反斯托克斯散射光比瑞利散射光强要弱20┄30dB。为了避免信号处理过程中信号平均时间过长，脉冲激光源的峰值功率相当高。基于布里渊散射的分布式光纤传感技术在布里渊散射中，散射光的频率相对于泵浦光有一个频移，该频移通常称为布里渊频移。散射光布里渊频移量的大小与光纤材料声子的特性有直接关系。当与散射光频率相关的光纤材料特性受温度和应变的影响时，布里渊频移大小将发生变化。因此通过测定脉冲光的后向布里渊散射光的频移量就可以实现分布式温度应变测量。目前对布里渊散射的分布式光纤传感器主要集中在以下三个方面的研究基于布里渊光时域反射（BOTDR）技术的分布式光纤传感器基于BOTDR技术的光纤传感技术是在传统的光时域反射仪（OTDR）基础上发展起来的。在OTDR系统中，光脉冲注入光纤系统的一端，光纤中的背向瑞利散射光作为时间的函数，同时带有光纤沿线温度/应变分布的信息：散射光与脉冲光之间的时间延迟提供对光纤的位置信息的测量，散射光的强度提供对光纤的衰减测量。在BOTDR中，背向的自发布里渊散射取代了瑞利散射，由于布里渊散射受温度和应变的影响，因此通过测量布里渊散射便可以得到温度和应变信息。基于布里渊光时域反射（BOTDR）技术的分布式光纤传感器布里渊散射极其微弱，相对于瑞利散射来说要低大约2┄3个数量级，而且相对于Raman散射来说布里渊频移很小（对于一般光纤1550nm时约11GHz左右），检测起来较为困难基于布里渊光频域分析（BOFDA）技术的分布式光纤传感器BOFDA同样是利用布里渊频移特性来实现温度/应变的传感，但其被测量空间定位不再是传统的广时域反射技术，而是通过得到光纤的复合基带传输函数来实现的。基于布里渊光时域分析（BOTDA）技术的分布式光纤传感器处于光纤两端的可调谐激光器分别将一脉冲光与一连续光注入光纤，当泵浦光和探测光的频差与光纤中某区域的布里渊频移相等时，在该区域就会产生布里渊放大效应（受激布里渊散射），称之为布里渊受激放大作用，两光束之间发生能量转移。在BOTDA中，当泵浦光的频率高于探测光的频率时，泵浦光的能量向探测光转移，这种传感方式称为布里渊增益型；泵浦光的频率低于探测光的频率时，探测光的能量向泵浦光转移，这种传感方式称为布里渊损耗性。基于布里渊光时域分析（BOTDA）技术的分布式光纤传感器BOTDA技术便利用这一原理，其探测信号可以是布里渊增益信号，也可是布里渊损耗信号。由于布里渊频移与温度、应变存在线性关系，因此在对两激光器的频率进行连续调节的同时，通过检测光纤一端耦合出来的连续光的功率，就可以确定光纤各小段区域上能量转移达到最大时随对应的频率差，从而得到温度应变信息，实现分布式测量。Part.2关于PPP-BOTDA的说明ALLRIGHTSRESERVED.THISDOCUMENTANDANYDATAANDINFORMATIONCONTAINEDTHEREINARECONFIDENTIALANDTHEPROPERTYOFNEUBREXCO.,LTD(NEUBREX)ANDCOPYRIGHT.NOPARTOFTHISDOCUMENT,DATA,ORINFORMATIONSHALLBEDISCLOSEDTOOTHERSORREPRODUCEDINANYMANNERORUSEDFORANYPURPOSEWHATSOEVER,EXCEPTWITHTHEPRIORWRITTENPERMISSIONFROMNEUBREX.1分布式光纤传感技术2分布式光纤传感相关的基本参数3PPP-BOTDA的原理和特点4总结1分布式光纤传感技术22SourceSourcePulseDetectorStimulatedBrillouinScattering（受激布里渊散射光）SensorCWPart.2关于PPP-BOTDA的说明SourcePulseDetectorSpontaneousBrillouinScattering（自发布里渊散射光）SensorBOTDRBOTDA23straine2fibere1e1n2布里渊频率漂移(n2-n1)无应变应变增大n1FrequencyDistance当光纤受到拉压的时候，应变发生位置处的布里渊散射光会产生相应的改变。从频率上看，布里渊频移与光纤轴向应变量成正比。1分布式光纤传感技术Part.2关于PPP-BOTDA的说明2PPP-BOTDA相关的基本参数24测量距离（MeasurementDistance）除了脉冲光宽度之外，测量距离很大程度上取决于实际光纤回路的光损耗：*传输损耗*熔接损耗*弯曲损耗优质的光纤和施工水平，对测量距离和精度，十分关键。SpecificationofNBX-7000*注：传输损耗为0.3dB/km条件下脉冲光宽度0.5ns1ns2ns5ns10ns测量距离*1km2km5km10km20kmPart.2关于PPP-BOTDA的说明2PPP-BOTDA相关的基本参数25测量精度（Accuracy）测量精度（或称为准确度）是指实测结果（resultofameasurement）和真实值（truevalue）之间的差异。应变测量精度7.5微应变温度测量精度0.35摄氏度SpecificationofNBX-7000Part.2关于PPP-BOTDA的说明2PPP-BOTDA相关的基本参数26重复性（Repeatability）重复性是指对恒定的实验对象（thesamemeasurand）进行连续测量时，多次测量结果的偏差范围。应变重复性2.4微应变温度重复性0.1摄氏度SpecificationofNBX-7000Part.2关于PPP-BOTDA的说明2PPP-BOTDA相关的基本参数27空间分辨率（SpatialResolution）脉冲光宽度0.5ns1ns2ns5ns10ns空间分辨率5cm10cm20cm50cm1m空间分辨率越高（长度越小），对光纤局部变化的感知能力越强。当光纤上产生的应变或温度改变的范围大于所设定的空间分辨率时，该变化量能被测量仪准确地反映出来。SpecificationofNBX-7000Part.2关于PPP-BOTDA的说明3PPP-BOTDA的原理和特点28a.是BOTDA系统的升级产品b.在导入脉冲光（泵浦光）之前，加载适当的脉冲预泵浦光（Dpre），预先激发声子c.通过适当设置脉冲光与脉冲预泵浦光的功率比（Rp：消光系数），可以降低多余的输出功率。脉冲预泵浦布里渊光时域分析法Pulse-PrePumpBrillouinTimeDomainAnalysis0探测光(CW)ACWt0ｚ=0ｚ=L光纤ｚ泵浦光（阶跃脉冲）AP+CPtDDpreCPAp(t)εPart.2关于PPP-BOTDA的说明3.1BOTDA/R技术的难点29　t=1ns高分辨率(<1m)缩短了泵浦光和探测光之间的相互作用时间，因此导致了声子的受激时间不充分。声子受激需要近28ns的时间伴随空间分辨率的提高(<1m:<10ns)，布里渊增益频谱(BGS)的半值全宽(FWHM)逐渐增大，曲线趋于平坦。脉冲宽度短于1ns（10cm）时，BGS的FWHM将接近1GHz。较宽的FWHM使得中心频率的精确测量变得极为困难。普通的BOTDA技术：无法同时实现高空间分辨率(<1m)和高精度(<±50me)PPP技术是改善这一问的有效手段Part.2关于PPP-BOTDA的说明3PPP-BOTDA的原理和特点4技术特点总结30基于理论分析和实验检验：1)利用1ns的极短的泵浦光脉冲，本系统也能获得足够的受激布里渊散射光强度2)在1ns的脉冲光入射之前，导入一个13ns宽的预泵浦脉冲，布里渊增益频谱的半值全宽将会减少到30MHz（从仅使用脉冲光时的1GHz）3)适当设置脉冲光和脉冲预泵浦光的消光系数，来自脉冲预泵浦光的信号能够被有效控制，实现10cm的空间分辨率PPP-BOTDA首次实现了高分辨率(<10cm)与高测量精度(<±8me)Part.2关于PPP-BOTDA的说明ALLRIGHTSRESERVED.THISDOCUMENTANDANYDATAANDINFORMATIONCONTAINEDTHEREINARECONFIDENTIALANDTHEPROPERTYOFNEUBREXCO.,LTD(NEUBREX)ANDCOPYRIGHT.NOPARTOFTHISDOCUMENT,DATA,ORINFORMATIONSHALLBEDISCLOSEDTOOTHERSORREPRODUCEDINANYMANNERORUSEDFORANYPURPOSEWHATSOEVER,EXCEPTWITHTHEPRIORWRITTENPERMISSIONFROMNEUBREX.Part.3NBX-6050A操作说明1NBX-6050A系统2常规测量操作步骤以及硬件设置3应变和温度的计算及温度补偿4总结1NBX-6050A系统32PCI-XBUSbridgecablePart.3NBX-6050A操作说明控制软件：NeubreCapture–NeubreScope–二次开发2常规测量操作步骤33StartUpMMHardwareSettingsCheckResultCalibrationSegmentSettingsSaveDataSetupMeasuredFiberStartMeasurementShuttingDownNewSessionMonitorMeasurementPart.3NBX-6050A操作说明2.1设置并连接光纤34闭合环路传输用光缆传感光纤基本的光纤设置1.光纤回路顺序为PumpProbe（测量结果是从Pump为起点）。2.连接光纤注意光纤接口的保护和清洁。Part.3NBX-6050A操作说明□打开NBX-6050A后面的电源开关，NBX-6050A进入待机状态。□启动PC。NBX-6050A会随着电脑启动而自动启动。□双击桌面启动NEUBRESCOPE软件。□仪器的准备（暖机)大约需要15分钟。2.2启动35Part.3NBX-6050A操作说明2.3校准36Part.3NBX-6050A操作说明2.4新建任务371NewSessionName:任务名2SessionDescription:任务描述3LocationDirectory:任务保存路径4ReferenceSession:已有的硬件，GUI等设定导入Part.3NBX-6050A操作说明2.5测量方法的选择38orPart.3NBX-6050A操作说明2.6仪器硬件参数设置39Part.3NBX-6050A操作说明2.6仪器硬件参数设置40□测量距离DistanceRange　可以指定50m,100m,250m,500m,1km,2.5km,5km,10km,25km。*设定的测量距离，要大于实际的光纤距离Part.3NBX-6050A操作说明2.6仪器硬件参数设置41□采样间隔SamplingInterval　可以指定1cm,5cm,10cm,20cm,50cm,100cm。空间分辨率SpatialResolution脉冲光SamplingInterval采样间隔Part.3NBX-6050A操作说明2.6仪器硬件参数设置42□空间分辨率SpatialResolution　可以指定5cm,10cm,20cm,50cm。空间分辨率和采样间隔对应的最大测量距离和其存储数据大小。Part.3NBX-6050A操作说明2.6仪器硬件参数设置43□平均化次数AveragingCount　可以指定2^5~2^23平均化次数。通常使用2^13~2^16平均化次数。平均化次数和测量时间以及精度的关系如下图。平均化次数2^5(32)2^15(32,738)2^23(8,388,608)处理方法硬件高速处理精度·重复性测量时间软件计算平均化次数高，结果稳定平均化次数高，测量时间长短长劣优Part.3NBX-6050A操作说明2.6仪器硬件参数设置44□输出连续光能量OutputProbePower□输出泵浦光能量OutputPumpPower　OutputProbePower：-3dBmOutputPumpPower：22dBm根据光纤的实际情况来调节输出的强度，基本原则是保持测定光纤部分的BGS波形的顶点在85dB左右。Part.3NBX-6050A操作说明2.6仪器硬件参数设置45□频率范围FrequencyRange　BOTDA拟合BGS至少需要50MHz的扫描范围例:用PPP-BOTDA测量±2,000微应变时，光纤的初始中心频率是10.8GHz±2,000微应变对应100MHz的频率漂移、对应的频率扫描范围应当是10.7~10.9GHz为了拟合，还需要加上50MHz最后的测定范围应当是10.65～10.95GHzPart.3NBX-6050A操作说明50Hz2.6仪器硬件参数设置46□脉冲光调节PulseAdjustment　ON–测量前每次都进行调整调整一次大约需要5秒，接下来的20分钟内测量，脉冲光没有问题。OFF–关闭Part.3NBX-6050A操作说明2.6仪器硬件参数设置47□自动频率调节AutoFrequencyAdjustment　ON–进行自动频率校准OFF–关闭自动频率校准Part.3NBX-6050A操作说明2.6仪器硬件参数设置48□EnableBGSFrequencyShiftadjustment　校准光纤被测光纤进行光纤校准时，校准光纤的温度测量结果和温度计的测量比较的偏移值用于之后的测量，来辅正测量结果。软件的设置选项中Part.3NBX-6050A操作说明2.6仪器硬件参数设置49□测量模式MeasurementMode　Progressive模式下（空间分辨率设置为5cm，采样间隔为1cm）扫描时间要比是Normal模式下（空间分辨率10cm，采样间隔5cm）扫描时间要长，但是空间分辨率提高了。Part.3NBX-6050A操作说明2.6仪器硬件参数设置50□自动测量Scheduler　可以设定任务测试。开始时间，测量间隔时间，以及测量次数的设定设定保存结果的文件名和数据类型Part.3NBX-6050A操作说明2.7测量过程51当前硬件状态，以及已定义光纤路径和区段的信息当前的SBS值(在时间/空间域)SBS的频谱曲线测量进程的进度条Part.5NBX-7000操作说明2.8测量结果观察52光标线位置的值标记点的值当前区段属性SBS，中心频率，温度以及应变曲线Part.5NBX-7000操作说明2.9保存文件531.存储文件命名。2.选择需要存储文件的类型。Part.5NBX-7000操作说明原始文件分析结果数据例：中心频率，应变，温度，光损等2.10读取文件和对比结果54读取源文件*.bgb读取应变或温度结果对比应变或温度结果导出文件或图形Part.5NBX-7000操作说明3应变和温度的计算及温度补偿55如上图所示，通过分析BGS测量的数据可得出沿着光纤方向的布里渊中心频率分布。利用由SegmentsSetting所确定的中心频率和光纤属性，软件系统就可以计算出沿着光纤的每个测量点的应变值和温度值。转换到温度转换到应变中心频率温度应变Part.5NBX-7000操作说明3.1基本公式56B()=B(0)+C11=(B()-B(0))/C11B():有应变时的布里渊频移B(0):没有应变时的布里渊频移C11:应变系数(dB/d):应变应变B(T)=B(T0)+C12ΔTΔT=(B(T)-B(T0))/C12B(T):在T时的布里渊频移B(T0):在T0时的布里渊频移C12:温度系数(dB/dT)T=T0+ΔT温度Part.5NBX-7000操作说明3.2同时测量应变和温度57温度光纤(T-fiber)B()=B(0)+C11+C12(T-T0)=(B()-B(0)-C12(T-T0))/C11B():由S-fiber测量出的布里渊频移B(0):在基准温度(T0)和没有应变状态下的布里渊频移C11:S-fiber的应变系数(dB/d)C12:S-fiber的温度系数(dB/dT)T:由T-fiber测量出的环境温度:测量对象的应变(S-fiber)传感光纤(S-fiber)测量对象温度传感T-fiber和应变传感S-fiber必须适当的（平行）安装（粘贴）到测量对象上。利用T-fiber测出的环境温度，与应变相关的S-fiber的布里渊频移，能够从总值中被分离出来。也就是说，利用单个光纤回路，进行一次测量，就可以测得应变和温度。Part.5NBX-7000操作说明3.3自动温度补偿58温度补偿的意义能够显著的提高测量结果的准确性自动T补偿的要点（NeubreScope软件）在一个较宽的测量区域中，温度必须均匀（取平均值）正确的光纤参数有效区段的输入补偿之前的应变分布补偿之后的应变分布S2-S3:温度参考区段S3-:应变区段条件:保持无应变状态，只增加温度结果:大约500me,测量出的应变不是准确值结果:测量出的应变值接近0Part.5NBX-7000操作说明3.4温度补偿的Segment设置59S1-S2：应变光纤S2-S3：温度参考光纤S3：应变光纤温度补偿之后的应变曲线Part.5NBX-7000操作说明参考关系4小结60本章围绕NeubreScope软件，对NBX-6050A仪器实用和软件操作进行了介绍常规的测量过程和操作步骤关于应变和温度的计算，以及常用的温度补偿方法Part.5NBX-7000操作说明Part.4应用实例分布式光纤传感技术的应用63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64BOTDR技术在三峡库区巫山残联滑坡监测的应用光波所为国庆60周年通州阅兵村提供的光缆预警系统采用的就是分布式光纤传感技术分布式光纤传感技术用于航空领域的多参量监测太空飞船X-38的再入式实验飞行器（NASA图片）传感器布测区域a.分布式温度传感b.分布式应力传感方案输出信号沿光纤传输光的背向散射分量光纤温度传感元平面温度场分布输入信号埋入光纤应力传感元输入信号输出信号光纤监测网损伤探测光纤蒙皮67