分布式光纖傳感技術解析
發布時間：2020-07-28 責任編輯：lina
【導讀】在工程上應用的分布式光纖傳感技術根據傳感光類型不同可分為散射光傳感和前向光傳感兩類。其中，散射光又分為瑞利散射、拉曼散射和布裏淵散射三類。
在工程上應用的分布式光纖傳感技術根據傳感光類型不同可分為散射光傳感和前向光傳感兩類。其中，散射光又分為瑞利散射、拉曼散射和布裏淵散射三類。
基(ji)於(yu)不(bu)同(tong)光(guang)學(xue)效(xiao)應(ying)的(de)傳(chuan)感(gan)技(ji)術(shu)可(ke)以(yi)檢(jian)測(ce)不(bu)同(tong)的(de)物(wu)理(li)參(can)量(liang)。基(ji)於(yu)瑞(rui)利(li)散(san)射(she)的(de)光(guang)纖(xian)傳(chuan)感(gan)技(ji)術(shu)工(gong)程(cheng)上(shang)主(zhu)要(yao)用(yong)於(yu)檢(jian)測(ce)振(zhen)動(dong)與(yu)聲(sheng)音(yin)信(xin)號(hao)，基(ji)於(yu)拉(la)曼(man)散(san)射(she)的(de)光(guang)纖(xian)傳(chuan)感(gan)技(ji)術(shu)工(gong)程(cheng)上(shang)主(zhu)要(yao)用(yong)於(yu)溫(wen)度(du)的(de)測(ce)量(liang)，而(er)基(ji)於(yu)布(bu)裏(li)淵(yuan)散(san)射(she)的(de)光(guang)纖(xian)傳(chuan)感(gan)技(ji)術(shu)工(gong)程(cheng)上(shang)主(zhu)要(yao)用(yong)於(yu)應(ying)變(bian)與(yu)溫(wen)度(du)的(de)雙(shuang)參(can)數(shu)測(ce)量(liang)，基(ji)於(yu)前(qian)向(xiang)光(guang)幹(gan)涉(she)的(de)光(guang)纖(xian)傳(chuan)感(gan)技(ji)術(shu)工(gong)程(cheng)上(shang)主(zhu)要(yao)用(yong)於(yu)振(zhen)動(dong)與(yu)聲(sheng)音(yin)的(de)檢(jian)測(ce)。
前向光幹涉的分布式光纖傳感技術
基本幹涉型結構的分布式光纖傳感在工程上主要使用主馬赫-澤德爾、邁克爾遜、薩格奈克幹涉三種類型，其光路結構如圖1所示，均是擾動改變了相位，進而通過幹涉光強變化來檢測振動。馬赫-澤德爾使用兩個耦合器，邁克爾遜、薩格奈克幹涉使用一個耦合器，不同的是邁克爾遜幹涉需要兩個旋轉鏡。上述結構的光纖傳感在工程上應用需鋪設兩根光纖。
圖1 基本幹涉法的光路結構
如圖2是(shi)一(yi)種(zhong)直(zhi)線(xian)型(xing)薩(sa)格(ge)奈(nai)克(ke)方(fang)案(an)。其(qi)特(te)點(dian)在(zai)於(yu)僅(jin)需(xu)一(yi)根(gen)傳(chuan)感(gan)光(guang)纖(xian)即(ji)可(ke)實(shi)現(xian)對(dui)信(xin)號(hao)的(de)拾(shi)取(qu)，實(shi)用(yong)性(xing)強(qiang)。兩(liang)束(shu)幹(gan)涉(she)光(guang)光(guang)程(cheng)差(cha)相(xiang)同(tong)，對(dui)光(guang)源(yuan)線(xian)寬(kuan)要(yao)求(qiu)低(di)，成(cheng)本(ben)低(di)，檢(jian)測(ce)靈(ling)敏(min)度(du)高(gao)，信(xin)號(hao)還(hai)原(yuan)性(xing)能(neng)好(hao)。然(ran)而(er)其(qi)依(yi)然(ran)存(cun)在(zai)振(zhen)動(dong)定(ding)位(wei)難(nan)、無法多點定位等問題，導致在需要精確定位及多點振動監測領域應用受限。
圖2 直線型薩格奈克係統結構
散射光幹涉的分布式光纖傳感技術
1.R-OTDR（Raman Optical TIme-Domain Reflectometry ）拉曼光時域反射分布式光纖傳感技術
分布式拉曼溫度傳感係統的結構如圖3所(suo)示(shi)。入(ru)射(she)脈(mai)衝(chong)光(guang)產(chan)生(sheng)後(hou)向(xiang)拉(la)曼(man)散(san)射(she)光(guang)，其(qi)光(guang)強(qiang)隨(sui)光(guang)纖(xian)溫(wen)度(du)的(de)變(bian)化(hua)而(er)變(bian)化(hua)，對(dui)探(tan)測(ce)到(dao)的(de)後(hou)向(xiang)拉(la)曼(man)散(san)射(she)光(guang)進(jin)行(xing)解(jie)調(tiao)，光(guang)電(dian)探(tan)測(ce)器(qi)完(wan)成(cheng)光(guang)電(dian)轉(zhuan)化(hua)，轉(zhuan)化(hua)後(hou)的(de)微(wei)弱(ruo)電(dian)信(xin)號(hao)經(jing)信(xin)號(hao)放(fang)大(da)電(dian)路(lu)放(fang)大(da)，由(you)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)卡(ka)采(cai)集(ji)並(bing)傳(chuan)輸(shu)給(gei)計(ji)算(suan)機(ji)，通(tong)過(guo)數(shu)據(ju)處(chu)理(li)便(bian)可(ke)獲(huo)得(de)光(guang)纖(xian)沿(yan)線(xian)的(de)溫(wen)度(du)。工(gong)程(cheng)上(shang)應(ying)用(yong)於(yu)矸(gan)石(shi)山(shan)火(huo)險(xian)預(yu)警(jing)、電纜溫度檢測、帶式輸送機火險預警以及隧道火險預警等場景。
圖3 分布式拉曼溫度傳感係統結構
R-OTDR的進一步發展仍麵臨很多挑戰，如在單模光纖的應用中信噪比不高導致的測量精度低的問題，進一步提升傳感距離、空間分辨率、測溫精度及響應速度等問題。
2.φ-OTDR（Phase SensiTIve OpTIcal TIme-Domain Reflectometry）相位敏感光時域反射分布式光纖傳感技術
φ-OTDR在zai工gong程cheng上shang主zhu要yao有you直zhi接jie探tan測ce與yu相xiang幹gan探tan測ce兩liang種zhong方fang案an。其qi中zhong，直zhi接jie探tan測ce結jie構gou更geng為wei簡jian單dan，信xin號hao處chu理li簡jian單dan，但dan準zhun確que還hai原yuan波bo形xing較jiao為wei困kun難nan。相xiang幹gan探tan測ce的de信xin號hao靈ling敏min度du更geng高gao，擁yong有you更geng高gao的de空kong間jian分fen辨bian率lv和he信xin噪zao比bi，頻pin帶dai響xiang應ying範fan圍wei更geng寬kuan，能neng準zhun確que還hai原yuan信xin號hao。工gong程cheng上shang主zhu要yao應ying用yong在zai燃ran氣qi管guan線xian、周界安防、軌道交通、電纜舞動、地震波探測、局部放電等檢測場合。
直接探測型通過差分擾動前後的散射曲線來進行振動定位，其效果受振動頻率、差分點數和脈衝重複頻率的影響。直接探測型φ-OTDR的係統結構如圖4所示，其原理為通過對後向散射曲線采集與處理，檢測振動信號對光相位和強度的影響，實現對振動信號的定位、還原。
圖4 直接探測型φ-OTDR係統結構
相幹探測型φ-OTDR係統結構如圖5所示，與直接探測型的區別在於，引入本征光提升散射光信號功率，增強係統信噪比。光電探測器輸出的信號經IQ解調可獲得正交信號，經過進一步的處理便可解調出振動信號的幅值與相位。
圖5 相幹探測型φ-OTDR係統結構
當前φ-OTDR分布式光纖振動傳感技術發展麵臨的挑戰主要有：信號衰落的抑製與實時振動波形還原、傳感距離與空間分辨率提升、振動方向識別與振動類型智能模式識別。
3.B-OTDR（Brillouin Optical Time-Domain Reflectometry）布裏淵光時域反射分布式光纖傳感技術
BOTDR是在OTDR基礎上結合光纖中的自發布裏淵散射效應完成溫度/應(ying)變(bian)測(ce)量(liang)的(de)分(fen)布(bu)式(shi)光(guang)纖(xian)傳(chuan)感(gan)技(ji)術(shu)。當(dang)光(guang)纖(xian)受(shou)到(dao)拉(la)伸(shen)或(huo)壓(ya)縮(suo)時(shi)，應(ying)力(li)變(bian)化(hua)會(hui)導(dao)致(zhi)後(hou)向(xiang)布(bu)裏(li)淵(yuan)散(san)射(she)光(guang)產(chan)生(sheng)頻(pin)率(lv)漂(piao)移(yi)，通(tong)過(guo)解(jie)調(tiao)漂(piao)移(yi)量(liang)可(ke)實(shi)現(xian)應(ying)變(bian)測(ce)量(liang)；光纖的溫度變化同樣會導致布裏淵散射光發生頻率漂移，根據頻移量可解調出溫度信息。
BOTDR是基於布裏淵效應的單端抽運光時域反射技術，具有很大的優勢，結構簡單，隻需在一端輸入激光，在工程中應用前景廣泛。基於BOTDR的分布式光纖傳感係統結構如圖6所(suo)示(shi)。在(zai)光(guang)路(lu)進(jin)行(xing)相(xiang)幹(gan)探(tan)測(ce)，在(zai)電(dian)路(lu)進(jin)行(xing)頻(pin)率(lv)掃(sao)描(miao)，最(zui)後(hou)進(jin)行(xing)數(shu)據(ju)處(chu)理(li)後(hou)可(ke)得(de)到(dao)光(guang)纖(xian)沿(yan)程(cheng)的(de)布(bu)裏(li)淵(yuan)頻(pin)移(yi)量(liang)，即(ji)可(ke)解(jie)調(tiao)出(chu)應(ying)變(bian)與(yu)溫(wen)度(du)信(xin)息(xi)。這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)可(ke)用(yong)於(yu)建(jian)築(zhu)變(bian)形(xing)監(jian)測(ce)、地質沉降監測、橋梁變形監測、隧道變形監測等。
圖6 BOTDR係統結構
在工程上如何實現實時布裏淵頻移解調、長距離高空間分辨率高精度檢測、解決溫度與應變交叉敏感等問題是BOTDR進一步應用所麵臨的一係列挑戰。
綜述所述，基於前向光幹涉與散射光原理的分布式光纖傳感技術在工程上均獲得了應用，隨著成本的進一步降低、指標參數的進一步提升、可靠性的進一步提高，同時具有長距離、抗電磁幹擾、多參數測量等優勢，分布式光纖傳感技術在工程上的應用必將越來越廣泛。
免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在於傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問題，請電話或者郵箱聯係小編進行侵刪。
特別推薦
- 噪聲中提取真值！瑞盟科技推出MSA2240電流檢測芯片賦能多元高端測量場景
- 10MHz高頻運行！氮矽科技發布集成驅動GaN芯片，助力電源能效再攀新高
- 失真度僅0.002%！力芯微推出超低內阻、超低失真4PST模擬開關
- 一“芯”雙電！聖邦微電子發布雙輸出電源芯片，簡化AFE與音頻設計
- 一機適配萬端：金升陽推出1200W可編程電源，賦能高端裝備製造
技術文章更多>>
- 築基AI4S：摩爾線程全功能GPU加速中國生命科學自主生態
- 一秒檢測，成本降至萬分之一，光引科技把幾十萬的台式光譜儀“搬”到了手腕上
- AI服務器電源機櫃Power Rack HVDC MW級測試方案
- 突破工藝邊界，奎芯科技LPDDR5X IP矽驗證通過，速率達9600Mbps
- 通過直接、準確、自動測量超低範圍的氯殘留來推動反滲透膜保護
技術白皮書下載更多>>
- 車規與基於V2X的車輛協同主動避撞技術展望
- 數字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰
- 汽車模塊拋負載的解決方案
- 車用連接器的安全創新應用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索
微波功率管
微波開關
微波連接器
微波器件
微波三極管
微波振蕩器
微電機
微調電容
微動開關
微蜂窩
位置傳感器
溫度保險絲
溫度傳感器
溫控開關
溫控可控矽
聞泰
穩壓電源
穩壓二極管
穩壓管
無焊端子
無線充電
無線監控
無源濾波器
五金工具
物聯網
顯示模塊
顯微鏡結構
線圈
線繞電位器
線繞電阻
