Distributed fiber sensor

Chapter 6

Outline

• 光时域反射技术 (OTDR)

• 光纤中光的散射• DTS 的系统组成• 其他分布式传感系统简介

一、光时域反射技术 (OTDR)

传播通道 T 和接收通道 R 为同一根光纤，此处为了能清楚说明原理，故表示成不同的两条通道。光纤总长为 L ，考虑距离激光源为 l 的光纤前端 F 处，长度为 dl 的一段光纤。 能量 E0 、持续时间为 △T 的泵浦脉冲光注入光纤后，以速度 v( v = c /n ，其中 c 为真空中的光速， n 为纤芯折射率，一般 n= 1.5) 在传输通道 T 中传输，传播到 l → l + dl 段：一部分能量 αdl 被损耗 (α 为入射光的单位长度上的损耗系数 ) ；一部分能量 pΓ 被耦合到接收通道 R ，然后以速度 v 回到光电探测器处 (Γ为单位长度上的光后向散射系数， p 为后向散射因子 )经过传输通道 l → l + dl 段，光能量变化可表示为：

因而从 l → l + dl 段耦合进入接收通道的能量为：

这部分能量沿着接收通道 R 传播，经过距离 l 后到达光电探测器处，被光电探测器探测，此时能量变为：

表示能量将在 t 时刻到达光电探测器处，

t → t + dt 期间的平均功率：

时间的不同又对应着光纤位置的不同，这就意味着光探测器探测到的光功率为光纤位置的函数，那么不同光纤位置 l 处的后向散射光功率就可得到。

a — 由于耦合部件和光纤前端面引起的反射

b — 光脉冲沿具有均匀损耗的光纤段传播时的背向瑞利散射曲线。

c — 由于接头或耦合不完善引起的损耗，或由于光纤存在某些缺陷引起的高损耗区。

d — 光纤断裂处，此处损耗峰的大小反映出损坏的程度。

e — 光纤末端引起菲涅耳反射。

二、光纤中光的散射

Power

RamanStokes

Ramananti-Stokes

Brillouinanti-Stokes

BrillouinStokes

Rayleigh

BB

10-6

反斯托克斯光强度随温度变化显著。室温下，其温敏系数达 0.8% 每℃

反斯托克斯散射光强可以表示为：

斯托克斯散射光强可以表示为：

反斯托克斯光随温度变化的相对值比斯托克斯光大

倍

反斯托克斯光强与斯托克斯光强之比可由下式求得：

表明：自发拉曼散射中反斯托克斯与斯托克斯光强之比仅是光纤所在环境温度的函数，仅受探测点处温度影响，而与泵浦光源波长、功率等无关。

因此以反斯托克斯光作信号通道 , 斯托克斯光作参考通道 , 检测两者光强比值 , 就可以解调出散射区的温度信息，同时还可以有效地消除光源不稳定以及光纤传输过程中耦合损耗、光纤接头损耗、光纤弯曲损耗和光纤传输损耗等因素引起的影响。

采用光时域反射技术来确定发生散射的位置，即空间定位，从而得到沿光纤分布的温度情况，实现空间温度测量。

三、 DTS 的系统组成

常用的微弱信号处理方法：后向散射光更加微弱，再经过光纤传输、滤光组件衰减，由 APD 探测器接收到的光信号十分微弱， APD 输出的信号电压仅为几十纳伏，而分布式光纤温度传感器光信号的传输和光电转换后的电信号处理的各个环节都有可能引入误差和随机噪声 ( 这些噪声均可认为是高斯白噪声 ) ，有用的温度信息淹没在很强的随机噪声中。

1. 滑动平均法

2. 多项式最小二乘法

3. 现代功率谱估计方法

4. 自适应滤波器

分辨率的估算1. 空间分辨率 δl的确定

2. 传感器系统温度分辨率 δT 的确定

3. 传感器系统时间分辨率 δt 的确定

4. 其他分布式传感系统简介BOTDR

POTDR