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1、分布式光纤原理及其应用研究汇报小组：第三组小组成员：崔 瑛 闫常弘 刘婷婷 周明军 孙 鹏 吴 俊 殷 娜 严 晨汇 报 人：严 晨opticalopticalfiberfiber目录分布式光纤传技术的原理.12分布式光纤技术国内外研究现状3分布式光纤传感技术的应用1.分布式光纤传感技术原理准分布式光纤传感器准分布式光纤传感器是把空间上呈一定规则分布的相同调制类型的光纤传感器耦合到一根或者多根光纤总线上，通过寻址、解调，检测出被测量的大小及空间分布，光纤总线仅起到传光作用。全分布式光纤传感器全分布式光纤传感器是利用一根光纤作为延伸的传感元件，光纤上的任意一段既是传感单元，又是其他传感单元的信息
2、传输通道，因而可获得被测量沿此光纤在空间和时间上变化的分布消息。1.1 光纤基础知识光纤基础知识光纤是光导纤维的简称，是一种重要和常用的波导材料，光纤是光导纤维的简称，是一种重要和常用的波导材料，它利用光的全反射原理将光波能量约束在其界面内，并引它利用光的全反射原理将光波能量约束在其界面内，并引导光波沿光纤轴线方向传播。导光波沿光纤轴线方向传播。在将光纤作为传感材料应用前，需掌握光纤：在将光纤作为传感材料应用前，需掌握光纤：1.1.结构特性结构特性2.2.机械特性机械特性3.3.损耗等特性损耗等特性2.12.1 基于光纤后向散射的全基于光纤后向散射的全分布式光纤传感技术分布式光纤传感技术 依据
3、所监测信号的不依据所监测信号的不同，主要分为基于拉曼同，主要分为基于拉曼（Roman）散射的分布式）散射的分布式温度传感器、基于瑞利温度传感器、基于瑞利（Rayleigh）散射的分布）散射的分布式光纤损耗检测传感器及式光纤损耗检测传感器及基于布里渊散射基于布里渊散射（Brillouin）的分布式应）的分布式应变传感器。变传感器。2.1.1 2.1.1 基于基于OTDROTDR的微弯传感器的微弯传感器19971997年年Barnoski Barnoski 博士首先提出了光时域反射技术博士首先提出了光时域反射技术OTDROTDR（Optical Time Domain ReflectionOpti
4、cal Time Domain Reflection）技术，结合瑞利散射）技术，结合瑞利散射来检测光纤沿线故障检测来检测光纤沿线故障检测微弯型光纤传感器是根据光纤微弯形变引起纤芯或包层中传输微弯型光纤传感器是根据光纤微弯形变引起纤芯或包层中传输的光载波强度变化的原理制成的全光纤型传感器。的光载波强度变化的原理制成的全光纤型传感器。2.1.2 2.1.2 基于自发拉曼散射的光时域散射型（基于自发拉曼散射的光时域散射型（ROTDRROTDR）传感器）传感器 由于拉曼散射由分子热运动引起，由于拉曼散射由分子热运动引起，所以拉曼散射光可以携带散射点的所以拉曼散射光可以携带散射点的温度信息，而且反斯托克
5、斯光的幅温度信息，而且反斯托克斯光的幅度强烈依赖于温度，而斯托克斯光度强烈依赖于温度，而斯托克斯光则不是，所以可通过测量斯托克斯则不是，所以可通过测量斯托克斯光与反斯托克斯光的功率比探测温光与反斯托克斯光的功率比探测温度的变化，其结果消除了光源波动、度的变化，其结果消除了光源波动、光纤弯曲等因素的影响，只与沿光光纤弯曲等因素的影响，只与沿光纤的温度场有关，因此可长时间保纤的温度场有关，因此可长时间保证测温精度。证测温精度。在任何分子介质中，光通过介质在任何分子介质中，光通过介质时由于入射光与分子运动相互作时由于入射光与分子运动相互作用会引起频率发生变化的散射称用会引起频率发生变化的散射称为拉曼
6、散射。分子吸收频率为为拉曼散射。分子吸收频率为 V0的光子，发射的光子，发射V0-Vi的光子，的光子，同时分子从低能态跃迁到高能态同时分子从低能态跃迁到高能态（对应为斯托克斯光）；分子吸（对应为斯托克斯光）；分子吸收频率为收频率为V0的光子，发射的光子，发射V0+Vi的光子，同时分子从高能态跃迁的光子，同时分子从高能态跃迁到低能态（对应为反斯托克斯光）到低能态（对应为反斯托克斯光）。2.1.4 2.1.4 基于自发布里渊散射的光时域反射型（基于自发布里渊散射的光时域反射型（BOTDRBOTDR）传感器）传感器在在BOTDRBOTDR中测量的是布里渊散射信号与布里渊散射光频率相关的光纤材料特中测
7、量的是布里渊散射信号与布里渊散射光频率相关的光纤材料特性主要受温度和应变的影响，因此，通过测定脉冲光的后向布里渊散射光的频性主要受温度和应变的影响，因此，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。移就可实现分布式温度、应变测量。2.1.5 2.1.5 基于受激布里渊效应的传感器基于受激布里渊效应的传感器基于微波外调制的单激光器环形基于微波外调制的单激光器环形BOTDABOTDA系统，用耦合器将光源分为两路系统，用耦合器将光源分为两路或者根据需要将或者根据需要将2 2根光纤对来实现单端入射，以此简化设备，减少测量时根光纤对来实现单端入射，以此简化设备，减少测量时间，并能
8、达到较高的测量精度。间，并能达到较高的测量精度。（1 1）基于）基于 BOTDA BOTDA 的分布式光纤传感技术的分布式光纤传感技术（2 2）基于）基于 BOFDA BOFDA 的分布式光纤传感技术的分布式光纤传感技术BOFDA BOFDA 是基于测量光纤的传输函数实现对测量点定位的一种传感方是基于测量光纤的传输函数实现对测量点定位的一种传感方法。这个传输函数把探测光和经过光纤传输的泵浦光的复振幅与光纤法。这个传输函数把探测光和经过光纤传输的泵浦光的复振幅与光纤的几何长度关联起来，通过计算光纤的冲击响应函数确定沿光纤的应的几何长度关联起来，通过计算光纤的冲击响应函数确定沿光纤的应变和温度信息
9、。变和温度信息。（3 3）基于）基于 BOCDA BOCDA 的分布式光纤传感技术的分布式光纤传感技术传感光纤两端分别入射连续传感光纤两端分别入射连续探测光和连续泵浦光，这两探测光和连续泵浦光，这两束同步调制光在一个正弦波束同步调制光在一个正弦波上产生一个相关的周期峰，上产生一个相关的周期峰，并在光电检测器上接收锁相并在光电检测器上接收锁相放大器的同步信号。放大器的同步信号。BOCDA BOCDA 技术采用频率调制的连续泵浦光和探测光并求两者相关函数，技术采用频率调制的连续泵浦光和探测光并求两者相关函数，是一种可大大提高分布式光纤传感系统空间分辨率的技术方案，其实验是一种可大大提高分布式光纤传
10、感系统空间分辨率的技术方案，其实验系统的空间分辨率理论上可达到毫米量级。系统的空间分辨率理论上可达到毫米量级。2.1.72.1.7基于相位敏感的光时域反射型（基于相位敏感的光时域反射型（-OTDR-OTDR）传感器）传感器在在OTDROTDR系统中，如果光源的线宽足够窄，相干度很高，那么从光纤的不同系统中，如果光源的线宽足够窄，相干度很高，那么从光纤的不同部分返回的散射光会发生干涉。利用这种散射光的相干性设计出的相位敏感部分返回的散射光会发生干涉。利用这种散射光的相干性设计出的相位敏感型光时域反射系统，可以探测出传统型光时域反射系统，可以探测出传统OTDROTDR系统无法察觉的弱信号的干扰。系
11、统无法察觉的弱信号的干扰。相位敏感性（相位敏感性（-OTDR-OTDR）与传统型与传统型OTDROTDR最大的不同就是采用了相干光源，最大的不同就是采用了相干光源，并且要求光源具有窄线宽和低频率漂移特性。并且要求光源具有窄线宽和低频率漂移特性。2.2 2.2 长距离干涉传感技术长距离干涉传感技术干涉技术最大的优点是干涉检测的灵敏度极高，光纤本身既是传输媒干涉技术最大的优点是干涉检测的灵敏度极高，光纤本身既是传输媒质又是感知元件，光纤上任意一点都是传感单元，能够实现质又是感知元件，光纤上任意一点都是传感单元，能够实现“海量海量”检测，检测，是一种真正意义上的全分布式光纤传感器。同时相比于后向散射
12、型分布是一种真正意义上的全分布式光纤传感器。同时相比于后向散射型分布式传感器，干涉仪探测正向传输光信号变化的方向发展，因此测量信噪式传感器，干涉仪探测正向传输光信号变化的方向发展，因此测量信噪比和准确率都高得多，传感距离也长得多，数据处理简单，实时性好。比和准确率都高得多，传感距离也长得多，数据处理简单，实时性好。干涉仪不仅适合测量静态、半动态信号，更适合于动态信号的检测。干涉仪不仅适合测量静态、半动态信号，更适合于动态信号的检测。基于光纤干涉仪的准分布式光纤传感技术基于光纤干涉仪的准分布式光纤传感技术基于基于FBGFBG的准分布式光线传感技术的准分布式光线传感技术2.分布式光纤传感技术国内外
13、研究现状在试验室研究方面在试验室研究方面海底管道、输油、输海底管道、输油、输气方面气方面桥梁、隨道、道路等交通工程方面桥梁、隨道、道路等交通工程方面岩土工程方面岩土工程方面在试验室研究方面在试验室研究方面吴智深对基于吴智深对基于BOTDR的光纤变形检出特性进行了试验研究，包括光纤拉伸的光纤变形检出特性进行了试验研究，包括光纤拉伸和压缩试验，有利于理解光纤所测应变数据的意义。和压缩试验，有利于理解光纤所测应变数据的意义。Akiyoshi等人将技术应用于等人将技术应用于2000年美洲杯帆船赛的曰本队帆船优化设计年美洲杯帆船赛的曰本队帆船优化设计中，通过测试数据评估了曰本队帆船的完整性和受力作用下的
14、响应。中，通过测试数据评估了曰本队帆船的完整性和受力作用下的响应。Pamukcu设计了基于布里渊散射的含水量光纤传感器，采用亲水聚合物作设计了基于布里渊散射的含水量光纤传感器，采用亲水聚合物作为含水量的传感元件，并将其仅仅缠绕在光纤周围，水分变化将引起聚合为含水量的传感元件，并将其仅仅缠绕在光纤周围，水分变化将引起聚合物膨胀或收缩，从而产生光纤应变，其值变化反应了含水量变化过程。物膨胀或收缩，从而产生光纤应变，其值变化反应了含水量变化过程。海底管道、输油、输气方面海底管道、输油、输气方面LiLi等人依据海底管线监测的技术要求，如可实现长距离、小空间分等人依据海底管线监测的技术要求，如可实现长距
15、离、小空间分辨率、大变形、多参量测试等，设计了试验方案分别模拟了室温、高辨率、大变形、多参量测试等，设计了试验方案分别模拟了室温、高温下管道的拉伸及弯曲破坏，并采用分布式光纤传感器（温下管道的拉伸及弯曲破坏，并采用分布式光纤传感器（DTSS系系统统）测试测试了管道了管道应变应变Zhanghang建造于建造于19951995年的沪宁高速某桥梁的破坏性试验进行分布式应变监测，年的沪宁高速某桥梁的破坏性试验进行分布式应变监测，应用测试的应变场对桥梁损伤进行了时域和空间域的分析和判断。应用测试的应变场对桥梁损伤进行了时域和空间域的分析和判断。钱振东钱振东为验证为验证BOTDABOTDA测试莉青混凝土铺
16、装层裂缝的可行性，进行了光纤抗测试莉青混凝土铺装层裂缝的可行性，进行了光纤抗压、温度交变及裂缝模拟试验，比选了裸光纤和紧套光纤的抗压及裂缝监测压、温度交变及裂缝模拟试验，比选了裸光纤和紧套光纤的抗压及裂缝监测能力，建立了布里渊频移和裂缝宽度之间的关系，应用表明能力，建立了布里渊频移和裂缝宽度之间的关系，应用表明BOTDABOTDA对实际路对实际路面温度、残佘变形和裂缝监测具有很高的测量精度和稳定性。面温度、残佘变形和裂缝监测具有很高的测量精度和稳定性。桥梁、隨道、道路等交通工程方面桥梁、隨道、道路等交通工程方面KlarKlar提出釆用分布式光纤构件监测网，自动检测隨道开挖过程造成的扰动、提出釆
17、用分布式光纤构件监测网，自动检测隨道开挖过程造成的扰动、沉降等现象，并进行了室内模拟试验；沉降等现象，并进行了室内模拟试验；相同的应用，相同的应用，Delepine-Lesoile Delepine-Lesoile 釆用釆用BOTDRBOTDR和和Optical Frequency Domain Optical Frequency Domain Reflectometery Reflectometery（OFDAOFDA）技术进行了地表塌陷的模拟试验，两者均能感应）技术进行了地表塌陷的模拟试验，两者均能感应塌陷的发生，但塌陷的发生，但OFDROFDR具有更高的灵敏度。具有更高的灵敏度。张俊义将
18、传感光纤埋入混凝土格构和贯穿于滑体得水泥阶路，构成分布式张俊义将传感光纤埋入混凝土格构和贯穿于滑体得水泥阶路，构成分布式光纤监测网，采用光纤监测网，采用AQ8603AQ8603测试了三峡巫山残联滑坡的变形，依据监测结果对测试了三峡巫山残联滑坡的变形，依据监测结果对光纤种类、铺设方式、空间分辨率、监测周期、温度补偿等关键问题进行了光纤种类、铺设方式、空间分辨率、监测周期、温度补偿等关键问题进行了解释和思考。解释和思考。岩土工程方面岩土工程方面3.分布式光纤传感技术的应用 电力工业 道路交通 工程应用安防石油工业复合材料3.1 电力工业智能电网的基本特征就是信息化、自动化和互动化，智能电网的基本特
19、征就是信息化、自动化和互动化，要实现这一目标，作为信息采集的关元器件，传感器是要实现这一目标，作为信息采集的关元器件，传感器是不可或缺的，而光纤传感器由于其自身的优点，必将在不可或缺的，而光纤传感器由于其自身的优点，必将在电力系统中获得广泛的应用。电力系统中获得广泛的应用。3.1 电力工业采用分布式光纤传感器对输电线路进行温度测量在国外采用分布式光纤传感器对输电线路进行温度测量在国外已经得到广泛应用，而国内也在积极地开展这方面的研究工已经得到广泛应用，而国内也在积极地开展这方面的研究工作，分布式光纤传感器在输电环节的另一种应用，则是对输作，分布式光纤传感器在输电环节的另一种应用，则是对输电线路
20、的塔、线的结构健康监测，尤其是监测输电塔、线在电线路的塔、线的结构健康监测，尤其是监测输电塔、线在恶劣环境恶劣环境(覆冰、大风、高低温等覆冰、大风、高低温等)下的受力情况，确保电力下的受力情况，确保电力系统的安全可靠运行，这方面的研究处于起步阶段。系统的安全可靠运行，这方面的研究处于起步阶段。3.1 电力工业高压电气设备中由于微波和电磁干扰的影响，传统的测温方法难高压电气设备中由于微波和电磁干扰的影响，传统的测温方法难于或者根本无法得到真实的测试结果。而分布式光纤温度传感器于或者根本无法得到真实的测试结果。而分布式光纤温度传感器与传统的各类温度传感器相比，其具有一系列独特的优点：使用与传统的各
21、类温度传感器相比，其具有一系列独特的优点：使用光纤作为传输和传感信号的载体，有效克服了电力系统中存在的光纤作为传输和传感信号的载体，有效克服了电力系统中存在的强电磁干扰；强电磁干扰；利用一根光纤为温度信息的传感和传导介质，可以利用一根光纤为温度信息的传感和传导介质，可以测量沿光纤长度上的温度变化等。测量沿光纤长度上的温度变化等。监测中心通过以太网与监测站监测中心通过以太网与监测站连接，连接，以太网以太网 提供监测中心提供监测中心与监测站间的命令和数据传送与监测站间的命令和数据传送通通 道。道。监测中心主要负责对监测中心主要负责对本管区监测站进行管理，本管区监测站进行管理，由由监测中心向监测站发
22、送命令，监测中心向监测站发送命令，监测站启动监测站启动 BOT-DR 设备对光设备对光缆进行监测，并将监测数据回缆进行监测，并将监测数据回传给监传给监 测中心，供维护人员测中心，供维护人员进行管理或维护。进行管理或维护。3.2 道路交通3.2.1在列车温度测量方面的应用在列车温度测量方面的应用列车车厢防火监控列车需要对车厢中的温度进行测量，以列车车厢防火监控列车需要对车厢中的温度进行测量，以达到防火监控的目的。目前列车上主要使用烟雾报警器和红达到防火监控的目的。目前列车上主要使用烟雾报警器和红外报警器来进行防火监控，但这类系统存在两个方面的问题：外报警器来进行防火监控，但这类系统存在两个方面的
23、问题：一是它们只能在火灾发展到明火阶段后才能发现，无法将火一是它们只能在火灾发展到明火阶段后才能发现，无法将火灾消灭在隐患阶段；二是它们的可靠性较差，常发生误报，灾消灭在隐患阶段；二是它们的可靠性较差，常发生误报，例如乘客在车上吸烟时就会触发烟雾报警器。例如乘客在车上吸烟时就会触发烟雾报警器。3.2 道路交通3.2.2在铁道灾害防治中的应用在铁道灾害防治中的应用分布式光纤布里渊应力传感器。这种传感器利用光纤中的背向布里渊散射分布式光纤布里渊应力传感器。这种传感器利用光纤中的背向布里渊散射进行测量，可以同时测量光纤沿线的温度和应力情况，并且可以精确定位进行测量，可以同时测量光纤沿线的温度和应力情
24、况，并且可以精确定位测量点的位置。将这种光纤固定山体上的锚杆中，当山体发生滑坡时，碎测量点的位置。将这种光纤固定山体上的锚杆中，当山体发生滑坡时，碎石带动锚杆移动，从而拉扯光纤产生应力。根据散射光的强度和返回时间石带动锚杆移动，从而拉扯光纤产生应力。根据散射光的强度和返回时间，即可知道山体滑坡发生的地点。该传感器只需要使用普通光纤，成本较，即可知道山体滑坡发生的地点。该传感器只需要使用普通光纤，成本较为低廉，同时其测量范围远远大于光纤光栅传感器，可以达到几公里甚至为低廉，同时其测量范围远远大于光纤光栅传感器，可以达到几公里甚至几十公里。几十公里。3.3 工程应用分布式光纤传感技术优缺点应用后向
25、瑞利散射成本低、测量精度低、传感距离短应用最早，目前研究甚少周界入侵、振动监测自发拉曼散射空间分辨力1 m、温度分辨率 1 oC、测量范围48 km,成本适中目前已成熟，建筑物渗漏、火灾情况布里渊散射测量精度高、传感长度长达51 km、空间分辨率0.5 m、成本高广泛关注与研究长距离分布式应力监测、大中型建筑工程、长期稳定性监测前向传输模耦合理论上可得极高分辨率、原理简单、实现困难目前暂无工程应用3.3.1管道监测管道监测3.3.2结构健康检测结构健康检测3.4 周界安防根根据据防防范范的的不不同同场场合合和和要要求求，光光纤纤可可以以构构成成各各种种形形状状，环环置置于于需需要要防防范范的的
26、周周界界处处的的适适当当位位置置，当当入入侵侵者者侵侵入入时时，系统都会发出告警信号系统都会发出告警信号光波所为国庆光波所为国庆60周年通州阅兵村提供的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光缆预警系统采用的就是分布式光纤传感技术3.4 石油工业领域光纤传感器在测井中的应用光纤传感器在测井中的应用 1、随钻测量、随钻测量 2、井下温度监控、井下温度监控 3、井下压强监控、井下压强监控 4、井下含水量监控、井下含水量监控管道监测管道监测小组分工分布式光纤传感技术原理：分布式光纤传感技术原理：闫常虹闫常虹 崔崔 瑛瑛 刘婷婷刘婷婷国内外发展现状：国内外发展现状：孙孙 鹏鹏 周明军周明军分布式光纤传感技术应用：分布式光纤传感技术应用：吴吴 俊俊 殷殷 娜娜 严严 晨晨谢谢观看2023/6/6opticalfiber