第九章分布式光纤传感技术
分布式光纤传感技术介绍
分布式光纤传感技术介绍哎呀，说起这个分布式光纤传感技术，我可得好好给你掰扯掰扯。
这玩意儿，听起来挺高大上的，其实呢，就是用光纤来感知周围环境的变化，比如温度啊、压力啊、振动啊这些。
你可能会想，这不就是一根线嘛，能有啥大不了的？嘿，别小看这根线，它可聪明着呢！首先，咱们得聊聊光纤是啥。
光纤，就是那种细细的、透明的玻璃丝，你家里宽带上网用的那种。
但是，分布式光纤传感技术用的光纤，可比那个高级多了。
这种光纤，里面可以传递光信号，而且，这些光信号在光纤里走的时候，会因为周围环境的变化而改变。
这就是分布式光纤传感技术的核心。
比如说，你把光纤埋在地下，用来监测管道有没有泄漏。
如果管道漏了，周围的温度、压力就会变化，这些变化就会影响光纤里的光信号。
光纤里的光信号一变，咱们的设备就能检测到，然后发出警报。
这就是分布式光纤传感技术的一个应用。
再给你举个栗子，我有个朋友在建筑工地上工作，他们就用这个技术来监测建筑结构的安全。
你想想，建筑工地上那么多大型机械，万一哪个地方没搞好，那可不是闹着玩的。
他们就把光纤埋在混凝土里，一旦有裂缝或者变形，光纤里的光信号就会变化，设备就能检测到，及时采取措施。
这个技术还有个好处，就是它可以覆盖很长的距离。
不像传统的传感器，只能监测很小的区域。
分布式光纤传感技术，一根光纤可以拉很长，监测的范围自然就广了。
而且，它还很耐用，不怕风吹日晒，也不怕腐蚀。
说到这儿，你可能会觉得，这玩意儿这么厉害，肯定很贵吧？其实，随着技术的发展，成本已经降低了很多。
而且，因为它可以减少维护成本和提高安全性，长远来看，还是挺划算的。
总之，分布式光纤传感技术，就是用光纤来感知世界的一种高科技。
它虽然听起来有点复杂，但其实原理挺简单的，就是利用光信号的变化来监测环境。
这技术在很多领域都有应用，比如石油、天然气、土木工程、环境监测等等。
随着技术的不断发展，我相信它会越来越普及，给我们的生活带来更多便利和安全。
分布式光纤传感器原理
分布式光纤传感器原理一、分布式光纤传感器原理分布式光纤传感器（Distributed Optical Fiber Sensor，DOFS）是一种新型传感技术，它利用光纤原理监测、测量被测目标的参数。
传感器通过植入光纤改变或分析光纤内传播的光脉冲，根据数学模型和算法从光脉冲的改变中分析出被测参数，从而达到监测或测量的目的。
传统的光纤传感器主要分为单点检测和分布式传感两类。
单点检测只能检测光纤段的一点，而分布式传感则可以同时监测整个光纤段的参数，如压力、温度、振动等。
分布式光纤传感器主要有两种：光纤Brillouin散射传感器（Fiber Brillouin Scattering Sensor）和光纤Raman散射传感器（Fiber Raman Scattering Sensor）。
1. 光纤Brillouin散射传感器光纤Brillouin散射传感器是利用光纤内固有的acoustic-optic 效应（Brillouin散射）来测量光纤内部的物理参数，如压力、温度、拉力等。
光纤Brillouin散射是指一束光线入射至光纤材料或结构中，由于光纤材料的内部固有声子和光子的相互作用，使得光子的波长会发生微小的变化，即光子的波长会发生一个内部固有的 Brillouin 光谱线，里面包含着光纤的特征参数，例如压力、拉力、温度等。
2. 光纤Raman散射传感器光纤Raman散射传感器是基于光纤Raman散射原理，利用激光激发出的光纤中的能量状态的微小变化来测量物理参数，如温度、压力、拉力等。
光纤Raman散射（Fiber Raman Scattering）是指一束激光入射至光纤中，由于光子和光纤中的自由电子的相互作用，使得激光光子中的能量状态发生微小的变化，从而产生一条Raman光谱线。
里面包含着光纤的特征参数，如温度、压力、拉力等。
二、分布式光纤传感器的应用分布式光纤传感器在工程和科学研究中有着广泛的应用，如用于： 1. 架构监测：可为大型结构物提供细节的分布式监测，如桥梁、建筑物等；2. 海洋和河流监测：可以实现实时的海洋流速和河流溯源的监测；3. 地质监测：可以检测地表或地下的地质变化，如地震、地质构造变化等；4. 军事和安全监控：可以检测活动的物体，如坦克、舰船等；5. 工厂设备监控：可以实现机器的实时监控，如机床、发动机等。
分布式光纤传感技术的分类
分布式光纤传感技术的分类一分布式光纤传感监测系统原理光的传播有一种叫做闪射现象。
闪射：当光束通过不均匀媒质时，部分光束将偏离原来方向而分散传播，从侧向也可以看到光的现象，叫做光的散射。
然后光的散射可以分成弹性散射跟非弹性散射。
弹性闪射主要有瑞利散射和米氏散射；非弹性散射包括布里渊散射，拉曼散射，康普顿散射等。
而分布式光纤传感监测系统，是采用不同的散射实现的，有基于拉曼光谱（Raman spectra），布里渊散射，瑞利散射等。
二分布式光纤传感监测系统分类分布式光纤有几种类型，经常看到的有DTS分布式光纤测温、DVS分布式光纤、DAS分布式光纤声波监测系统。
1. DVS防区型是通过划分防区进行监测的，而且当某个位置入侵后不能准确定位到具体位置，只能知道在某个防区，所以划分防区就很重要。
我们一般建议是50m-200m 一个防区，总防区一般为16个以内。
这样就能快速的定位到入侵位置（因为距离比较短）。
主要用在一些建筑的周届安防上，而且安装比较复杂，不能应用于长距离传输，价格不贵，当长距离定位型的DVS 价格降下来后，防区型的DVS慢慢没有优势了。
2. 分布式光纤振动传感系统（DVS）根据振动进行测量的，基于瑞利后向干涉；定位精度，跟监测距离长度是2个比较重要的指标；目前国内领先水平是40km左右,定位精度在5米这样，再高的距离到50KM,60KM，相比于防区型，DVS能够准确的定位出入侵位置，所以定位精度很重要。
目前该系统功能完善，可提供用户需要的功能。
可视化报警显示：提供形象的可视化显示界面，通过图形组态模块将光纤位置映射到图像上，一旦某点发生入侵事故，报警信息直接显示在图像上，形象直观。
振动曲线显示：系统可以实时显示整个光缆的振动信号分布曲线，当某处振动信号应变异常时，通过曲线可以显示该处实时信息分区/ 分级事件报警：提供多种灵活的报警方式，报警参数可以分级、分区域设置。
历史统计分析：提供历史振动数据统计分析功能，包括：a. 某时刻光缆不同位置的振动分布曲线b. 某时段光缆某点的振动变化曲线3. 分布式光纤声波监测系统（DAS）该系统检测声音，原理是基于振动测量；跟DVS的区别是DAS相位解调，能线性还原声音，DVS没有相位调解，无法还原声音；在能源，石油，燃气管道等等场景中开始使用。
分布式光纤传感技术的特点与研究现状
分布式光纤传感技术的特点与研究现状发布时间: 2009-05-11 09:19:44 文章来源:中国机械网收藏&分享打印版推荐给朋友导读：分布式光纤传感技术具有同时获取在传感光纤区域内随时间和空间变化的被测量分布信息的能力，其基本特征为[1]：光纤传感分布1、分布式光纤传感技术的特点分布式光纤传感技术具有同时获取在传感光纤区域内随时间和空间变化的被测量分布信息的能力，其基本特征为[1]：①分布式光纤传感系统中的传感元件仅为光纤；②一次测量就可以获取整个光纤区域内被测量的一维分布图，将光纤架设成光栅状，就可测定被测量的二维和三维分布情况；③系统的空间分辨力一般在米的量级，因而对被测量在更窄范围的变化一般只能观测其平均值；④系统的测量精度与空间分辨力一般存在相互制约关系；⑤检测信号一般较微弱，因而要求信号处理系统具有较高的信噪比；⑥由于在检测过程中需进行大量的信号加法平均、频率的扫描、相位的跟踪等处理，因而实现一次完整的测量需较长的时间。
2、分布式光纤传感技术研究现状分布式光纤传感技术一经出现，就得到了广泛的关注和深入的研究，并且在短短的十几年里得到了飞速的发展．依据信号的性质，该类传感技术可分为4类：①利用后向瑞利散射的传感技术；②利用喇曼效应的传感技术；③利用布里渊效应的传感技术；④利用前向传输模耦合的传感技术．2.1、利用后向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图1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。
图1后向散射型分布式光纤传感器基本系统框图2.1.1强度调制型[2]当一束脉冲光在光纤中传播时，由于光纤中存在折射率的微观不均匀性，会产生瑞利散射．如果外界物理量的变化能够引起光纤的吸收、损耗特性或瑞利散射系数的变化，那么通过检测后向散射光信号的强度就能够获得外界物理量的大小．目前基于对后向瑞利散射光进行强度调制的传感器有利用微弯损耗构成的分布式光纤力传感器、利用光纤材料在放射线照射下所引起光损耗构成的分布式辐射传感器，利用化学染料对光的吸收特性构成的分布式化学传感器，利用液芯光纤瑞利散射系数与温度的关系构成的分布式温度传感器。
分布式光纤传感技术
光纤光栅传感器是一种常用的光学传感器件，分布式光纤光栅就属于准分布式光纤传感器件中的一种。
选题方向合理。
请尽快确定课题完成方式，明确研究内容，尽快开展课题调研论证工作。
75分布式光纤光栅传感技术光纤传感技术是一种以光纤为媒介，光为载体，感知和传输外界信号（被测量）的新型传感技术，是伴随着光导纤维及光纤通信技术发展而逐步形成的。
在光通信系统中，光纤被用作远距离传输光波信号的媒质，在这类应用中，光纤传输的光信号受外界因素的影响越小越好，但是，在实际的光传输过程中，光纤容易受到外界环境因素的影响，如温度、压力、应变等外界条件的变化将引起光纤中传输光波的特征参数如频率、相位、光强、偏振态等的变化，通过测量这些参数的变化，就可以得到外界作用于光纤的物理量，这就是光纤传感技术。
光纤传感技术的基本原理是：将光源的光入射进光纤，当光在光纤中传输的过程中受到外界物理量影响，使得被测参数与光纤内传输的光相互作用，进行调制，从而使其光学性质如光的频率、波长(颜色)、强度、相位、偏振态等发生变化成为被调制的信号光，然后将这一调制的信号光送入光探测器中进行解调，经信号处理后就可获得被测参数。
光纤传感器与传统传感器相比具有许多明显优势：1）体积小、重量轻，几何形状具有多方面的适应性，可以做成任意形状的传感器和传感器阵列。
2）抗电磁干扰能力强、耐高温、耐腐蚀，在易燃、易爆环境下安全可靠。
3）光纤传感器件多是无源器件，对被测对象影响较小。
4）便于复用，便于成网。
它既可以作为信息的传递媒介，又可以作为信号测量的传感装置。
5）光纤传感器传输频带宽，动态范围大，测量距离长。
光纤传感器的种类很多，按照其工作方式可分为：点式、准分布式和分布式三类。
其中，准分布式光纤传感器是使用传感网络系统进行测量的，其光纤不作为传感元件，只作为传输元件，其敏感元件为多个点式的传感器，它们采用串联或各种网络结构形式连接起来，利用波分复用、时分复用或频分复用等技术形成分布式网络系统，进而可以较精确地分时或同时得到被测量信息的空间分布，也可同时得到某一点或某些空间点上不同被测量的分布信息。
分布式光纤传感原理
光纤的魔法：分布式光纤传感原理解析
光纤传感技术是一项基于光纤传输原理的新型传感技术，它将光
纤作为传感元件，利用光纤中光的传输特性来实现对环境参数的精准
监测和测量。
其中，分布式光纤传感技术是一种利用一根或多根光纤
对空间环境进行实时、无缝监测的新型技术。
该技术的原理基于光纤中的散射效应和光的互动作用，在光纤中
布置特定的传感器，通过对光信号的分析和处理，实现对环境物理量
的精确测量。
因此，在分布式光纤传感技术中，光纤本身就是传感器，将所测量物理量的影响转换为光信号，并通过对光信号的分析获得所
需测量结果。
与传统的点式传感技术相比，分布式光纤传感技术具有全覆盖、
实时性强、高灵敏度、高精度、抗干扰性强等优点，尤其适用于对管道、隧道、桥梁、堤坝、地铁、公路、油田等复杂环境进行实时、精
准监测和预警。
同时，分布式光纤传感技术也被广泛应用于医疗卫生、电力、交通、安防、煤矿等领域，为现代社会的可持续发展做出了巨
大贡献。
总之，分布式光纤传感技术是一项具有广阔应用前景和重要社会
意义的新型传感技术，随着技术的不断发展和完善，在未来还将展现
更为广泛的应用场景和更为优异的性能表现。
分布式光纤传感技术的特点与研究现状论述
分布式光纤传感技术的特点与研究现状论述摘要：分布式无线光纤传感技术是目前正在发展的一项新型检测技术，它的工作原理主要是利用光纤感知接收到一个信号并将这个信号实时传出并返回，相较于传统的节点式无线光纤传感器主要工作原理而言，分布式无线光纤传感技术可以实时测量前向光纤上成千上万个散射点的空间温度和其对应变量等信息，达到分布式温度测量。
通过连续函数的具体计算形式，针对整个光纤基层表面各个节点位置的实时监测温度，进行相对精准的温度测量。
关键词：分布式；光纤传感技术1 分布式光纤传感技术简介1.1 光纤的损耗特性如果想要光信号顺利通过，需要通过一些方法降低光纤损耗。
除此之外，光纤损耗的分类主要分为固有损耗和附加损耗。
固有损耗包括散射损耗、吸收损耗和因光纤结构不完善引起的损耗。
附加损耗则包括微弯损耗、弯曲损耗和接续损耗。
1.2 分布式光纤传感技术分布式光纤传感技术根据传感光类型不同可分为散射光传感和前向光传感2类。
其中，散射光又分为瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射3类。
基于不同光学效应的传感技术可以检测不同的物理参量。
基于瑞利散射的光纤传感技术工程上主要用于检测振动与声音信号，基于拉曼散射的光纤传感技术工程上主要用于温度的测量，而基于布里渊散射的光纤传感技术工程上主要用于应变与温度的双参数测量，而前向光干涉的光纤传感技术工程上主要用于振动与声音的检测。
光纤总线调制调控总线起到一个传光器的调制作用。
各种新型分布式光纤调制总线调控传感器的调制系统实质上是一个联合调制复用工作调制调控系统。
根据调制光波所测的各种外界强度调制调控信号类型进行联合调制以及光波的各种外界物理强度波动变化特征情况和光波所参与测量的外界强度波动变化及其响应特征情况,可将用于调制时间光波的各种外界强度调制调控信号类型分为光化学光波被测强度调制信号联合调制、光化学微波被测频率调制信号联合调制、光波长强度信号联合调制、光化学微波偏振相位调制信号联合调制和偏振相位信号联合调制这几种主要工作调制类型。
《分布式光纤传感器》课件
03Leabharlann 交通用于监测高速公路、 铁路和桥梁的结构健 康，确保交通安全。
04
环保
用于监测土壤、水和 空气的质量，以及污 染源的定位。
分布式光纤传感器的优势与局限性
优势 同时测量沿光纤分布的温度和应变等物理量； 高精度、高灵敏度和高分辨率；
分布式光纤传感器的优势与局限性
测量距离长，可实现连续监测； 耐腐蚀、抗电磁干扰和本征安全。
分布式光纤传感器的成本和稳定性问题也需要得到解决，以便更好地推广和应用。
分布式光纤传感器与其他传感器的集成和协同工作需要进一步研究，以提高监测系 统的整体性能和稳定性。
对未来研究和应用的建议
鼓励产学研合作，加强分布式 光纤传感器技术的研发和应用 研究，推动技术进步和产业发
展。
加强国际合作与交流，借鉴 国外先进技术和发展经验， 提高我国分布式光纤传感器
技术的国际竞争力。
鼓励企业加大投入，推动分布 式光纤传感器技术的商业化应 用，拓展应用领域和市场空间
。
THANKS
感谢观看
开发新型分布式光纤传感器技术
新材料
探索新型的光纤材料和光学器件，以 提高分布式光纤传感器的性能和功能 。
新原理
研究新的分布式光纤传感原理和技术 ，以拓展其应用领域和解决现有技术 的局限性。
05
结论
Chapter
分布式光纤传感器的重要性和应用前景
分布式光纤传感器在长距离、大范围监测中具 有明显优势，可广泛应用于石油、天然气、电 力等行业的安全监测和预警系统。
预警系统
利用分布式光纤传感器监测建筑物周围的环境变化，如地震、风力和 温度等，及时发出预警，预防潜在的自然灾害和人为破坏。
04
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Is 斯托克斯光光强 Ias 反斯托克斯光光强
温度变化
测温原理:Ias/Is＝ae-kcv/kT
Is不变
Ias变化
17
光源
耦合器
传感光纤 恒温
耦合器
同 Stokes
步
滤波器
Anti-Stokes 滤波器
控
制
探测器
测温区域
数据采集与处理
后台控制
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拉曼散射强度比瑞利散射强度低20~30dBm,要求脉 冲峰值功率很高;
拉曼散射只受到环境温度的影响，而对应力变化 不敏感；
相对基于喇曼散射的传感系统来说,
基于布里渊散射的传感系统:
1）它能同时对温度和应力进行探测;
2）探测作用距离远，能达到100公里，
空间分辨率达到5米；
3）成本费用低。
19
BOTDR——布里渊频移系数
对于温度的布里渊频移系数是 1.22M/度（@1310nm） ,1M/度（@1550nm）
通过顺时针和逆时针传输的相位受干扰光 信号到达A点和B点的时延差可计算出产 6
生干扰的位置。 T(L2Z)/V
耦合器C2和C3构成M-Z干涉仪
在 计 算 机 中 对 PD1 和 PD2 接 收到的光信号进行互相关计 算,就可以获得干扰出现的时 延差，继而实现干扰定位
7
利用M-Z干涉仪进行分布式传感的系统结构图
布里渊散射斯托克斯光相对于入射光的频移为:
泊松比
入射光频率 介质折射率
vB
2v0nvs c
介质中声速
vs
(1k)E 介质的杨氏模量
(1k)(12k) 介质密度
折射率 变化
热光效应 弹光效应
温度 应力
调制介质的 E、k、密度
声速 变化
布里渊频
14
移变化
BOTDR——传感原理
布里渊散射光频移会随着温度和光纤应变的上升而 线性增加:
12
BOTDR——布里渊散射
量子光学描述:入射光波（泵浦）与介质内弹性声波 场作用中,一泵浦光子湮灭产生一声学声子和散射 (Stokes)光子。
散射光与泵浦波传播方向相反，与入射波的频移（ 在1.55mm处）约为：fB=11.1GHZ。
分为自发布里渊散射和受激布里渊散射两种
13
BOTDR——传感原理
分布式光纤传感 技术与应用
1
分布式光纤传感技术
利用光波在光纤中传输的特性,可沿光纤长度方 向连续的传感被测量（如温度、压力、应力和 应变等）
光纤既是传感介质，又是被测量的传输介质。
优点:
可在很大的空间范围内连续的进行传感，是其突出 优点。
传感和传光为同一根光纤，传感部分结构简单，使 用方便。
零点频率发生在 s 0,,.......N
2 干扰源位置R1与第N个零频之间的关系为
f 2 s,null
s,null
Nc n(L2R1)
通过分析接收光 信号的零频点位 置即可获得干扰 源的位置
9
（上）有干扰时光强信号的理论计算值（下）实验值
2 散射型光纤传感器
利用背向瑞利散射——OTDR 利用布里渊散射——B-OTDR、 B-OTDA 利用拉曼散射——R-OTDR
反斯托克斯拉曼散射对温度的敏感系数比斯托克斯拉 曼散射要大得多。因此通常都将反斯托克斯拉曼散射 用作信号通道，作为计算温度的主要依据。
30 km的FGC-30拉曼测温系统，其空间分辨率为3m、 温度分辨率为0.1℃、测温范围为0～+100℃
16
测温原理
斯托克斯光:波长大于入射光 反斯托克斯光：波长小于入射光
fB=fB0+ f TT(℃)+ f εε(με)
通过测量布里渊散射光频移 和光功率,就可以求得被测量 点的温度和应力的大小。
布里渊散射光功率会随温度的上升而线性增加,随
应变增加而线性下降：
PB=PB0+ P TT(℃)+ P εε(με)
15
ROTDR 时域背向拉曼散射分布式光纤传感器
当光纤局域位置(L=Lo处)的温度变化时,调制了光纤拉 曼散射光子通量，也就是光纤拉曼背向散射的温度调 制机理。
R1 R2
Sagnac干涉仪的另一个典型应用是 光纤陀螺,即当环形光路有转动时， 顺逆时针的光会有非互易性的光程8 差，可用于转动传感
光纤SAGNAC干涉型分布式传感器定位原 理
当干扰源信号是正弦信号（或形如正弦信号）时,接
收信号的功率幅值为 Ps P00sin(s2) 2 1n(R 1R 2)/c
10
(1)光纤中的背向散射光分析
斯托克斯光
反斯托克斯光
布里渊散射和拉曼散射
在散射前后有频移,是非
11
弹性散射
(2)BOTDR——光时域布里渊散射光纤传感器
布里渊散射产生机理 是入射光与声波或传播的压力波相互作用的结果,这个传 播的压力波等效于一个以一定速度移动的密度光栅。因此 布里渊散射可以看成是入射光在移动光栅上的散射。 多普勒效应使散射光频率不同于入射光。
与点式传感器相比，单位长度内信息获取成本大大 降低，性价比高。
2
分布式光纤传感器的特征参量
空间分辨率
指分布式光纤传感器对沿光纤长度分布的被测量进 行测量时所能分辨的最小空间距离。
时间分辨率
指分布式光纤传感器对被测量监测时,达到被测量的 分辨率所需的时间。
被测量分辨率
指分布式光纤传感器对被测量能正确测量的程度。
以上三个分辨率之间有相互制约的关系。
3
典型的分布式光纤传感器
4-1 相位调制型传感器
Mach-Zehnder干涉式传感器 Sagnac干涉式传感器
4-2 散射型传感器
布里渊散射型光纤传感器 拉曼散射型光纤传感器
4
M-Z干涉型光纤传感器的信号处理
信号处理的目标——1).对干扰事件进行定性
通过解调获得干扰臂的相位变化,进而根据相位 变化情况分析干扰产生原因。
利用3*3耦合器解调原理图
5
M-Z干涉型光纤传感器的信号处理
信号处理的目标——2).对干扰事件进行定位 （适用于周界监控及管道监控等应用）
A点和B点分别对应M-Z干 涉仪两个耦合器的位置。 P点是干扰发生的位置
使用时使干涉仪 两臂中同时存在 顺时针和逆时针 传输的光
(2) 光纤SAGNAC干涉型分布式传感器
激光器发出的光经耦合器分为两束分别耦合进由同一光 纤构成的光纤环中,沿相反方向传输，并于耦合器处再 次发生干涉。
当传感光纤没有受到干扰时，干涉现象趋于稳定;受到 外界干扰时，正反向两光束会产生不同的相移，并于耦 合器处发生干涉，干涉信号的光强与干扰发生位置具有 一定关系。