基于布里渊散射原理的分布式光纤传感器

分布式光纤传感器BOTDR篇石强2010.12.09目录一、分布式光纤传感器二、BOTDR基本理论分析三、BOTDR系统设计四、BOTDR性能分析五、布里渊分布式传感器发展方向一、分布式光纤传感器分布式光纤传感器基本原理应用方向主要分类1.1分布式光纤传感器基本原理从光源发出的光经耦合器注入光纤，由光纤传输而通过敏感元件，光在通过敏感元件时，因敏感元件是暴露在被测对象(如温度、压力、磁场等)之中且对被测对象极其敏感，使光在这里受到被测对象的调制，如光的强度、偏振面、频率和相位等；然后，调制光由耦合器进入光纤，再经光纤传输到信息处理器上，经光电检测和信号处理而得到被测对象的信息图1.1光纤传感器原理示意图1.2分布式光纤传感器分类传感器类型传感距离测量时间測应力精度测温精度空间分辨率可测断点分布式测量商用化产品基于瑞利散射OTDR长短--------------高是是多COTDR长中--------------低是是少POTDR长中--------------低是是少基于布里渊散射BOTDA长中高高高否是无BOFDA长长高中中否是无BOTDR中中高高高是是少基于拉曼散射ROTDR中中-------高高是是多ROFDR长长-------高高*是是无基于布拉格光栅FGB短短高高…………否多注:“——”表示不可以测量;“……”表示无此参数;“*”表示仿真结果基于不同原理的分布式光纤传感器性能对比1.3光纤传感器应用光纤传感技术的应用研究主要有以下四大类：1、光纤层析成像技术2、智能材料3、光纤陀螺与惯导系统4、常规工业工程传感器二、BOTDR性能分析基本原理布里渊散射是光在不均匀的介质中传播时发生的一种散射现象，它的频率和强度相对于入射光均会发生变化。布里渊频移和强度与光纤材料中的声速有关，而声速受到光纤材料的热光特性和弹光特性的影响，所以光纤中的温度和应变的变化都会引起布里渊频移和强度的变化。9光通过光纤时,光子和光纤中自发热运动产生的声子产生非弹性碰撞,发生自发布里渊散射.散射光的频率相对入射光的频率发生变化,变化的大小与散射角和光纤的材料特性有关（折射率、杨氏模量、泊松比、密度）.以上特性主要受温度T和应变ε的影响。通过测定脉冲光的后向布里渊散射光的频移就可实现分布式温度、应变测量2.1布里渊频移与温度和应变的关系式中为斯托克斯光频率，，c为真空中光速，为光纤中的声速，θ为散射角式中E为杨氏模量，κ为泊松比，ρ为光纤纤芯密度2.1.1布里渊频移与温度和应变的关系2.1.2布里渊频移与温度和应变的关系由上式可知布里渊频移与温度呈线性关系，温度每变化1，布里渊频移变化约1.2MHz由上式可知布里渊频移与应变呈线性关系，应变每变化10-3所引起的布里渊频移变化Δ约为50MHz。当应变为0，温度为20，泵浦光波长为1550nm时，普通单模石英光纤≈1.46，≈5890m/s，布里渊频移为11.2GHz。2.2布里渊强度与温度和应变的关系P0为入射脉冲光功率，s为布里渊散射背向捕捉系数，为布里渊散射损耗系数，W为脉冲宽度，为光线中速度。λ为真空中光波长，n为纤芯折射率，为光纤有效面积。K为波尔兹曼常数，T为绝对温度，p12为光线弹光系数，ρ为光纤材料密度，VA为光纤中声波纵模声速。=9.5Χ10-11m2，p12=0.27，k=1.38Χ10-23J/K计算可得：布里渊强度变化的温度系数约为0.34%/K计算可得：布里渊强度变化的应变系数约为-0.982Χ10-4%/με2.2.1布里渊强度与温度和应变的关系142.3温度和应变的分布式同时测量在BOTDR系统中，通常是利用布里渊频移来确定温度或应变，一般由布里渊频移确定应变时假设温度保持不变，而由它测定温度时假设应变不变。但在实际应用中，往往是温度和应变同时变化，由于布里渊频移和强度随它们同时变化，这就出现了传感光纤布里渊散射谱参数对温度和应变交叉敏感的问题。研究发现布里渊频移随光纤的温度和应变近似线性变化，布里渊强度随温度的上升而近似线性增加，随应变增加而近似线性下降。可采用如下表达式来说明：、PB0分别为参考温度、应变下的布里渊频移和强度；ΔT和Δε分别为温度和应变的变化量；Cvt、Cvε、CPT、CPε分别为布里渊频移、强度的温度和应变系数。这些系数可以通过实验来确定。三、基于LPR的微波外差检测BOTDR系统设计LPR的微波外差检测BOTDR系统的整体设计信号采集与处理子系统光发射子系统光脉冲调制子系统布里渊外差接收子系统下变频器子系统3.1光发射子系统发射子系统窄谱光源中心波长1550nm线宽1MHz光脉冲参数设计光脉冲宽度10ns光脉冲峰值功率光脉冲重复频率f=c/2L*n宽谱光源中心波长1550nm光脉冲重复频率f=c/2L*n3.2光脉冲调制子系统散射点位置：Z=ct/2n光源调制间接调制1550nm电光调制器EOM声光调制器AOM直接调制1310nm光源调制方式3.3布里渊外差接收子系统3.4下变频器子系统3.5信号采集与处理子系统利用虚拟仪器软件平台LabVIEW实现布里渊频谱信号采集和处理。PCI5112数据采集卡32位PCI总线结构，2个单端同步输入通道，主要性能指标有：采样频率100MSPs、带宽lOOMHz、8位量化精度、板存16MHz、阻抗1MΩ或50Ω(可由软件选择)。极性模拟量输入范围为±25mV到±5V，步长为10％，采集卡信号分辨率约为O.195mV。四、BOTDR性能分析1、信噪比：SNR=10K为光电检测器的响应度，PS为经光放大器EDFA放大后的布里渊散射信号的功率，q为电荷电量，为接收机带宽。2、温度应变测量精度：δT、δε分别表示温度和应变测量精度，CvT、Cvε分别表示布里渊频移温度和应变系数。3、空间分辨率δz：1）光脉冲宽度和声子寿命2）光探测器响应时间3）A/D转换时间4、测量时间在BOTDR系统中，为避免后向布里渊散射信号的两次采样相混，要求两次采样脉冲信号时间间隔必须大于t=1/f=2L/v，L为传感光纤总长。对于测量布里渊频移的方式，需要多次测量才能完成一次布里渊频谱的扫描。设布里渊谱的谱宽为Δ实现扫频的带通滤波器带宽为B，则完成一次布里渊谱的扫描需要发射Δ／B个光脉冲，为达到规定的信噪比所需叠加平均次数为N，则测量时间为5、测量精度与空间分辨率的关系减小探测脉冲的宽度可提高空间分辨率。但信号光功率会因探测光脉冲宽度变窄而相应地减小，这会增大测量误差，不利于有用信号的探测。当脉冲宽度小于声子寿命(如小于10ns)后，布里渊散射谱会随之展宽，峰值降低。所以仅以减小探测脉冲宽度来提高系统空间分辨率，其改善是有限的。由此测量精度与空间分辨率是相互制约的。五、布里渊分布式传感器发展方向今后的研究重点将主要放在以下几个方面:①实现单根光纤上多个物理参数(温度和应变)或化学参数的同时测量;②提高信号接收和处理系统的检测能力,提高系统的空间分辨力和测量不确定度;③提高测量系统的测量范围,减少测量时间;④新的传感机理的研究.下一步方向1、2001年C．C．Lee等人发现在大有效面积光纤(LEAF)布里渊谱的多个峰中每个峰值频率的温度和应变系数不同，并通过同时测量主峰附近两峰值频率的方法，实现了温度和应变的同时测量。近期南京大学董玉明等人通过实验证明LEAF布里渊谱的峰1和峰3的峰值功率的差值随应变线性增加，而与温度无关；三个峰的布里渊频移都随温度和应变的增加而线性增加，且峰2的布里渊频移与温度及应变的关系具有最好的线性度。因此他们提出了采用峰1与峰3的峰值功率的差值与应变的关系联合峰2的频移同温度和应变的对应关系，实现温度和应变的同时测量，获得了大约130με的应变测量精度和8℃的温度测量精度。光子晶体光纤是否也有多个布里渊散射峰，与温度应变的关系，可否基于此提出一种测量精度较高的分布式传感系统。2、学习labview自己搭建一个系统仿真学习一下。