分布式光纤传感技术的分类与对比
分布式光纤传感技术的分类与对比
分布式光纤传感技术（DOFS）采用光纤做传感介质和传输信号介质，通过测量光纤中特定散射光的信号来反映光纤自身或所处环境的应变或温度的变化，一根光纤可实现成百上千传感点的分布式传感测量。因光纤具有尺寸小、重量轻、耐腐蚀、抗辐射抗电磁干扰、方便布设等特点，分布式光纤传感技术具有传统传感器不可比拟的优势，吸引了不少科研工作者和众多厂家的关注，目前，国内外都推出了商用化的分布式光纤传感测量系统，广泛应用到各个领域。
分布式光纤传感技术从光纤中光的散射原理可分为以下三类：基于瑞利散射的分布式光纤传感技术，基于布里渊散射的分布式光纤传感技术和基于拉曼散射的分布式光纤传感技术；从光学信号测试方法的不同又可分为两类：光时域反射技术（OTDR）和光频域反射技术（OFDR）。三种散射原理的设备都有OTDR技术的仪器和OFDR技术的仪器，各类原理的分布式光纤传感仪的对比见下表。
分布式光纤传感仪的分类与对比
目前应用于光通信领域的OTDR技术非常成熟，携式产品国内外厂家众多，产品在光纤链路诊断中广泛应用，但受限于探测光脉冲宽度，其空间分辨率与动态范围有限，测试中有盲区，难以满足较大动态范围和较高空间分辨率的应用领域，不适用于高精度测量领域。OFDR技术恰好弥补了上述不足，具有超高空间分辨率，非常适合高精度高分辨率领域的测量。如在光通信领域，可在待测光纤链路中轻松查找判别宏弯、接头、连接点和断点，精准测量插损、回损。技术同时还可以应用于温度与应变传感领域，在分布式温度应变测量中，空间分辨率可达1mm，传感精度最高可达±0.1℃\±1.0με。
拉曼散射主要用于测温，一般测量范围在10公里，分辨率在米量级，测温精度在1℃;布里渊散射的BOTDR、BOTDA及BOFDA技术，测量范围可达到几十公里，空间分辨率约0.5m，其中BOFDA技术最高能实现2cm的空间分辨率，但布里渊散射原理的系统整个装置非常复杂，测量时间较长。
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。 光纤光栅传感器除了具有一般光纤传感器耐高温、耐腐蚀等优点之外，还具有波长编码，抗干扰能力强等特性。另外，它较易于在一根光纤中连续写入多个光栅，以制成分布式光纤光栅传感，制得的光栅阵列轻巧柔软，可与渡分复用或时分复用技术等相结合，且十分适于作为分布式传感兀件贴于结构表面或埋人到材料和结构的内部，以实现对结构应变、温度以及压力等的多点监测，这对于目
分布式光纤传感技术报告-12.10
分布式光纤传感技术报告-12.10
摘要 分布式光纤传感技术是在70年代末提出的，在这十几年里,产生了一系列分布式光纤传感机理和测量系统,并在多个领域得以逐步应用。目前, 这项技术已成为光纤传感技术中最具前途的技术之一。本文主要介绍了光纤的相关特性，分布式光纤传感技术的特点、作用及其分类，详细论述了各种分布式光纤传感器的原理、分布式光纤传感技术的研究现状和具体应用。 关键字：光纤分布式光纤传感技术原理研究现状应用
目录 摘要 引言 1、分布式光纤传感技术简介 1.1光纤基础知识 1)光纤的结构特性 2)光纤的机械特性 3)光纤的损耗特性 2、分布式光纤传感技术原理 2.1 基于光纤后向散射的全分布式光纤传感技术 2.1.1 基于OTDR的微弯传感器 2.1.2 基于自发拉曼散射的光时域散射型（ROTDR）传感器 2.1.3基于受激拉曼效应的传感器 2.1.4基于自发布里渊散射的光时域反射型（BOTDR）传感器 2.1.5基于受激布里渊散射效应的传感器 1)基于布里渊散射的光时域分析型（BOTDA）传感器 2)基于布里渊散射的光频域分析型（BOFDA）传感器 3)基于布里渊散射的光相关域分析型（BOCDA）传感器 4)基于布里渊散射的光相关域反射型（BOCDR）传感 2.1.6基于瑞利散射的偏振光时域反射型（POTDR）传感器 2.1.7基于相位敏感的光时域反射型（Φ-OTDR）传感器 2.2 长距离干涉传感技术 2.3 基于光纤干涉仪的准分布式光纤传感技术 2.4 基于FBG的准分布式光线传感技术 3、分布式光纤传感技术国内外研究进展 4、分布式光线传感技术应用实例
基于瑞利散射的分布式光纤传感技术
光纤中的散射光 当光（电磁）波射入介质时，若介质中存在某些不均匀性（如电场、相位、粒子数密度n、声速v等）使光（电磁）波的传播发生变化，有一部分能量偏离预定的传播方向而向空间中其他任意方向弥散开来，这就是光散射。光的散射现象的表现形式是多种多样的，从不同的角度出发，可有不同的分类，但从产物的物理机制来看，可以分为两大类： 第一类是非纯净介质中的光散射，该散射现象不是介质本身所固有的，而强烈地依赖于掺杂进来的散射中心的性质或介质本身的纯净度。其规律主要表现为：散射光的频率与入射光的频率相同；散射光的强度与入射波长成一定关系。 第二类是纯净介质中的散射，即使所考虑的介质是由成分相同的纯物质组成，其中不含有外来掺杂的质点、颗粒或结构缺陷等，仍然有可能产生光的散射现象，这些散射现象是介质本身所固有的，与介质本身的纯净度没有本质上的关系。属于这类纯净介质的散射现象有如下几种： 1）瑞利散射设介质是由相同的原子或分子组成，由于这些原子或分子空间分布的随机性的统计起伏（密度起伏），造成与电极化特性相应的随机性起伏，而形成入射光的散射。这种散射现象的特点是频率与入射光频率相同，在散射前后原子或分子内能不发生变化，散射光强度与入射光波长的四次方成反比。 2）拉曼散射这种散射现象通常发生在由分子组成的纯净介质中，组成戒指的分子是由一定的原子或离子组成的，它们在分子内部按一定的方式运动（振动或转动），分子内部粒子间的这种相对运动将导致感生电偶极矩随时间的周期性调制，从而可以产生对入射光的散射作用；在单色光入射的情况下，这将是散射光的频率相对于入射光发生一定的移动，频移量正好等于上述调制频率，亦即与散射分子的组成和内部相对运动规律有关。 3）布里渊散射对于任何种类的纯净介质来说，由于组成介质的质点群连续不断的做热运动，使得在介质内始终存在着不同程度上的弹性力学振动或声波场。连续介质的这种宏观弹性力学振动，意味着介质密度（从而也是折射率）随时间和空间的周期性起伏，因而可对入射光产生散射作用，这种作用类似于超声波对光的衍射作用，并且散射光的频移大小与散射角及介质的声波特性有关。
拉曼型分布式光纤传感器DTS.
拉曼型分布式光纤传感器DTS 拉曼型分布式光纤传感器DTS描述: 产品简介 拉曼型分布式光纤传感器DTS是国内外应用较成熟的分布式光纤测温技术,利用自发拉曼散射效应和光时域反射技术实时获得沿光纤分布的温度信息,结合智能火灾判断算法,可及时预警火灾隐患,并精确定位火灾发生位置。 诺驰光电的DTS产品采用模块化设计,可靠性高;同时凭借高速微弱信号处理技术优势,实现0.5m空间分辨率,技术指标国内领先。诺驰光电可提供基于多模光纤和单模光纤的DTS,尤其适合高压电缆在线监测、电力载流量分析、交通隧道火情监测、油气储罐火情监测、输煤皮带火情监测、大坝渗漏监测应用。 测量原理 拉曼型分布式光纤传感器DTS的温度测量基于自发拉曼Raman散射效应。大功率窄脉宽激光脉冲入射到传感光纤后,激光与光纤分子相互作用,产生极其微弱的背向散射光,包括温度不敏感的斯托克斯Stokes光和温度敏感的反斯托克斯Anti-stokes光,两者波长不一样,经波分复用器WF分离后由高灵敏的探测器APD探测,根据两者的光强比值可计算出温度。而位置的确定是基于光时域反射OTDR技术,利用高速数据采集测量散射信号的回波时间即可确定散射信号所对应的光纤位置。
技术优势 ?连续分布式温度测量,无测量盲区?光纤即为传感器,可抗干扰 ?测量距离长?可精确定位 ?测量速度快?本质安全,适于易燃易爆环境下长 期工作 ?测量稳定可靠,误报率低?光纤寿命长,几十年免维护 性能特点 ?测量距离:10km?空间分辨率:0.5m—10m ?取样分辨率:0.25m—1m?测量时间:5s ?测量精度:1℃?友好的用户软件,提供可视化界面?提供单模光纤版本产品应用Applications 性能指标
分布式光纤传感器系统测量原理
分布式光纤传感器系统测量原理 [摘要]: 光在光纤中传播，光与介质中光学声子、声学声子发生碰撞，会产生后向散射的光，这些后向散射的光的频率、强度均会发生改变。其改变量的大小与折射率等有关，而折射率等因素受光纤的应变、温度的影响。 [关键词]：光纤；光纤传感器；测量 中国分类号：TN6 文献标识码：A 文章编号：1002-6908(2007)0110021-01 1．BOTDR的分布式温度和应变测量 BOTDR的分布式应变测量原理，当入射光在光纤中传播时，入射光会与声波声子相互作用，产生布里渊散射。其散射光的传播方向与入射光的传播方向相反。当入射光的波长那布里渊散射的最大能量的频率与入射光的频率之差大约是11GHz。这个频移量就叫做布里渊频移。如果光纤沿径向发生了应变，那布里渊散射对应于应力的频移量，如图1所示： 为了测量分布式的应变，通过使用BOTDR技术，沿着光纤观测布里渊散射光的频谱，确定布里渊频移的大小，从而达到测量应力的目的。如图2所示。在光纤的一端脉冲光入射，同时在这端使用时间域的BOTDR接收布里渊后向散射光。因此，产生布里渊散射的位置与脉冲光发射的位置的距离Z可以由下列登时确定，在这个式中，时间T是发射脉冲光与接收的布里渊散射光的时间差。 为了能获得布里渊散射光的频谱，我们重复上面所做的步骤，我们缓慢的改变入射光的频谱宽度。在布里渊散射光的不同频率段，我们能获得大量的分布式能量。如图2所示。所以，我们能够从获得的布里渊散射光的波形，知道在光纤中任何位置，那散射光的频谱。所以，我们固定频谱到那些Lorentzian弯曲和使用能量峰值的频谱。通过相应弯曲位置的应力。 应变与布里渊频率的改变量的各自联系。在实际的测量中，测量之前，（1）中的系数和布里渊频移可以在无应变时测量出来。然后，频移转换成应变。 注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。
分布式光纤传感技术在地震监测中的应用探讨
分布式光纤传感技术在地震监测中的应用探讨 刘文义 （中国地震局第二监测中心，陕西西安 710054） 1 分布式光纤传感技术 分布式光纤传感利用光导纤维具有的传感、传输双重特性，实现对被测量对象沿光纤分布的多点甚至连续测量，以达到取代多台独立点传感器的目的。它既具有光纤的抗电磁场干扰、大信号传输带宽等优点，又突破了点式光纤传感的限制，可以同时获得被测量对象测量参数的空间分布及其随时间变化的信息，并使之能够进行远距离遥测监控，在许多工程领域有重大的应用价值。 分布式光纤传感技术主要有3个方面的突破：①基于瑞利散射的分布式光纤传感技术；②基于拉曼散射的分布式光纤传感技术；③基于布里渊散射的分布式光纤传感技术。基于布里渊散射的分布式传感技术的研究起步较晚，但由于它在温度、应变测量上所达到的测量精度、测量范围以及空间分辨率均高于其他传感技术，因此，这种技术在目前得到广泛关注与研究。 2 布里渊分布式光纤传感系统研究现状和产品性能分析 （1）传感方案的研究现状。目前，基于布里渊散射的分布式光纤传感系统从方案上分主要有三种：时域反射计（BOTDR）的光纤传感技术、时域分析（BOTDA）的光纤传感技术、光频域分析（BOFDA）的光纤传感技术。由于基于BOTDR的传感方式最大的优点是只需要单端入射，结构简单，从而在实际应用中会很方便，所以，目前国内外对此方案的研究投入相对较多，是技术与产品最成熟的光纤传感器。 （2）传感系统性能的研究现状。对传感系统的性能的研究成果比较突出的主要集中在以下4个方面：温度或应变传感系统的研究；温度和应变同时传感系统的研究；提高系统空间分辨率的研究；提高系统传感距离的研究。 （3）主要分布式光纤传感器产品。目前主要有日本、英国、瑞士、加拿大等国的公司生产商用产品。 3 分布式光纤监测技术的最新进展 （1）国际研究进展。近年来，光纤传感器研究现状和发展趋势呈现出以下几个方面的特点：传感监测的解调技术更加先进，性能和指标更加精确和准确；分布式监测越来越受重视，已成为地质、岩土和土木工程监测的发展方向；应用技术的研究在不断加强，包括光纤传感器的封装技术，特种传感光纤的研制，传感光纤的铺设和安装技术等；相关技术的应用领域和范围迅速扩大。 （2）我国研究应用现状。近几年，我国在研究和应用方面有了长足的发展，新型传感技术不断涌现，工程的应用面不断扩大。与国际上一些先进国家相比还存在着一定的差距，主要体现在一些核心的传感解调技术还掌握在少数国家手中，监测仪器昂贵导致这些先进技术的推广和应用受到了很大影响。 4 在地震监测中的可行性研究 与目前地震监测的方法相比，分布式光纤传感器除具有结构简单、灵敏度高、耐腐蚀、电绝缘、防爆性好、抗电磁干扰、光路可挠曲、易于与计算机连接、便于遥测等优点外，其最显著的优点就是可以测出光纤沿线任一点上的应变、温度和损伤等信息，实现对监测对象的全方位立体监测。因此，引进、研究和开发分布式光纤应变/温度观测技术对活动块体边界带（或断裂带）的监测具有重要意义。 （作者信箱：sf55@https://www.360docs.net/doc/fa7095481.html,） 101
分布式光纤传感温度报警系统
分布式光纤传感温度报警系统Ξ 张在宣 郭 宁 余向东 吴孝彪 (中国计量学院光电子技术研究所,杭州310034) 摘 要 研制了一种由分布光纤温度传感器系统组成的新型在线自动温度检测、报警系统,它是一种特殊的光纤通信网络,也是一种光纤雷达。文中讨论了系统的工作原理、调制与解调原理,系统的组成结构和系统的报警特性。在一根2km光纤上可采集一千个温度信息并能进行空间定位,是一种理想的温度报警系统。 关键词 分布光纤温度传感器 光时域反射技术 温度报警系统 一、前 言 分布式光纤温度传感器系统实质上是分布光纤喇曼(Raman)光子传感器(DOFRPS)系统,它是近年来发展起来的一种用于实时测量空间温度场的光纤传感系统。在系统中光纤既是传输媒体又是传感媒体,利用光纤背向喇曼散射的温度效应,光纤所处空间各点的温度场调制了光纤中的背向喇曼散射的强度,即反斯托克斯(stokes)背向喇曼散射光的强度),经波分复用器和光电检测器采集了带有温度信息的背向喇曼散射光电信号,再经信号处理系统解调后,将温度信息实时从噪声中提取出来并进行显示,它是一种典型的光纤通信网络;在时域里,利用光纤中光波的传播速度和背向光回波的时间间隔,利用光纤的光时域反射(O TDR)技术对所测温度点定位,它是一种典型的光雷达系统。 分布光纤传感系统中的传感光纤不带电,抗射频和电磁干扰,防燃、防爆、抗腐蚀、耐高电压和强电磁场、耐电离辐射,能在有害环境中安全运行,系统具有自标定、自校准和自检测功能;即使在光纤受损时不仅可继续工作,而且可检测出断点位置。在一根2km光纤上可采集一千个温度信息并能进行空间定位,由于分布光纤传感系统的优越特性,已经开始应用于火灾自动温度报警系统。 分布光纤温度传感器的主要用途: 11用于煤矿、隧道的温度自动报警控制系统; 21油库、油轮,危险品仓库,大型货轮,军火库等温度自动报警控制系统; 31高层建筑、智能大厦、桥梁、高速公路等在线动态检测和火灾防治及报警; 41各种大、中型变压器,发电机组的温度分布测量,热保护和故障诊断; 51地下和架空高压电力电缆的热检测与监控; 61火力发电所的配管温度、供热系统的管道、输油管道的热点检测和故障诊断;化工原料、照相材料及油料生产过程在线动态检测; 71作为一种典型的机敏结构用于航空、航天飞行器在线动态检测和机器人的神经网络系统。 分布光纤温度传感系统是一种光机电和计算机一体化的高科技,世界上有英国、日本、瑞士和我国研制生产,英国、日本等应用于大型变压器、发电机组热保护和保障诊断,日本、瑞士和我国开始应用于火灾自动报警控制系统。 分布光纤温度传感器系统可显示温度的传播方向、速度和受热面积。可将报警区域的 42计量技术 20001№2Ξ国家首批产学研工程项目资助
分布式光纤传感技术在电力电缆局放监测中的应用解决方案探讨
电缆局放监测中的分布式光纤传感 方案探讨 作者吴海生 (上海欧忆智能网络有限公司，上海，200040) 摘要：为确保电网的运行安全，对交联聚乙烯（XLPE）电力电缆局部放电的在线监测和定位技术已受到国内外众多专家的研究热点之一。本文在介绍了电力电缆局部放电危害，电力电缆局部放电机理以及现有监测技术后，提出了基于分布式光纤传感技术的电力电缆局部放电监测方案。并探讨了方案实施中的关键技术解决思路与方法。 关键字电力电缆局部放电光纤传感在线定位监测 一、电力电缆的局部放电危害 近年来，随着我国城市智能电网的不断改造建设，具有高温大容量特点的交联聚乙烯（XLPE）电力电缆作为主流产品已经广泛应用于输电线路和配电网中。资料表明：在对全国主要城市126家电力电缆运行维护单位10kV以上的电力电缆(总长度91 000 km)运行状态进行调查统计和故障原因分析发现，我国的10～220 kV电力电缆的平均运行故障率相对经济发达国家仍高出约10倍【1】。 交联聚乙烯电力电缆主要故障的早期表现均为故障部位的局部放电现象。电力电缆局部放电程度也与电力电缆绝缘状况密切相关。局部放电量的变化预示着电缆绝缘一定存在着可能危及电缆安全运行寿命的缺陷，是电力电缆绝缘崩溃的前兆。一旦绝缘崩溃，将造成电网的停电损失。因此，对电力电缆的局部放电的监测是获知电力电缆运行状态的重要方法。图1为因过度局放造成的电缆绝缘被击穿损坏结果图： 图1 局部放电击穿电缆绝缘结果图 由于绝大多数的电力电缆从局部放电到电缆绝缘击穿都有一个较长的时间过程，国内外专家学者、IEC、IEEE以及CIGRE等国际电力权威组织一致推荐局部放电监测是作为对XLPE绝缘电力电缆运行状况评价的最佳方法。因此，准确在线监测量XLPE绝缘电力电缆的局部放电发生部位，及时消除局部放电隐患，是建设坚强可靠智能电网的最直观、最理想、最有效的方法。同时，亦是研究开发难度最大的方法。目前仍然没有实用的相关技术得以实现。 二、电力电缆的局部放电机理与现有监测技术 国际电工委员会IEC60270对局部放电（简称：局放、PD）现象的定义是：在高压下固体或液体绝缘系统里一小部分的局部介质破坏。 电力电缆局部放电的形成机理是：当电缆在制造中，因材料不纯、加工设备故障等原因，使电缆本体内部产生材料缺陷。当电缆在施工中的不当，或使用中遭到外力破坏，造成电缆外护套等电缆破损缺陷。上述这些缺陷处会在电缆导体的高电压强电场作用下，产生高电压尖端放电等现象。持续的高压放电，产
分布式光纤传感器
光纤分布式声波传感技术 刘德中通信学院 2013010917006 内容摘要 声波属于物质波,其实质是质点振动、应力、压力等在弹性介质中的多样表现形式。在声学的研究领域中,声波的产生机制、传播形式以及检测方法是会共同涉及的内容。目前的声波检测技术就是利用声波信号在弹性介质内的传播变化实现对检测目标的测探、准确识别、定位等。 在光纤传感领域,当前的一个研究热点就是光纤声波检测,它可以用作水听器,应用于海洋、陆地石油、天然气勘探输油管道实时检测预警系统;也可用作光纤麦克风,用光纤光栅制成的声波传感探头基元以光纤光栅的中心波长调制来获得传感信息的,它具有灵敏度高、抗干扰能力强、全光纤的特点,同时还具有能够实现波分复用、检测探头的微型化等特点。 关键词：声波检测光纤传感技术分布式震动传感布里渊散射 一、技术原理 （一）基于光纤光栅的传感器 基于光纤光栅的传感器的原理是当温度、应变、折射率、应力、浓度等外界环境因素出现变化时,光纤光栅的有效折射率或者是光纤光栅周期就会发生 改变,从而使得光纤光栅的中心波长出现变化,对这一变化量经过信号处理之 后,就能够获得所需要检测的参数。这一过程中,传感信号的获得方式是通过光 纤光栅中心波长的调制实现的,相比于强度调制传感器而言,光纤光栅传感器 的灵敏度更高,更广的动态测量范围。所以,基于光纤光栅的传感器以其自身强 大的抗干扰能力、高灵敏 度以及对光源的稳定性及 能量特征要求低的特性, 使其在精确、精密测量方 面十分合适,光纤光栅传 感器目前已经占据了以光 纤为主要材料的44%左右。 （二）光纤声波传感器 声音属于微压动态信号,要想测量声音信号,可以通过监测频率或声压来实现。一般情况下,人们在传递和探测声信号时,会使用电子式传声器,该传声 器具有声-电换能原理,然而在一些特殊的环境中,如在核磁共振、强电磁干扰 或易燃易爆环境中,一些电子式传声器会失去作用,加之信号衰减会给传感器 端的弱电量信号带来不利影响,所以在较远的距离间无法使用电子式传声器, 这给远距测量带来了诸多难题。为了让信息能够准确传递出去,必须研宄一种 无源传声器,这种传声器不受电磁的干扰,还能在较远的距离间进行传输。光纤
用于分布式光纤传感的全光纤激光器
第37卷 第6期 中 国 激 光 Vol.37,No.62010年6月 CHIN ES E J OURNAL OF LAS ERS J une ,2010 文章编号:025827025(2010)0621501204 用于分布式光纤传感的全光纤激光器 高存孝1 朱少岚1,2 冯 莉1 宋志远1,2 曹宗英1 何浩东1 牛林全1,2 1 中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室,陕西西安710119 2 中国科学院研究生院,北京100049 摘要 报道了一台适用于分布式光纤传感的全光纤激光器。激光器基于主振荡功率放大(MOPA )技术,种子光源为半导体激光器,放大器为掺铒光纤放大器。实现了重复频率和脉冲宽度分别独立可调的激光输出,中心波长为 1550nm ,光谱的3dB 带宽小于0.2nm ,获得的最高峰值功率为1.1kW ,输出的激光脉冲中放大自发辐射(ASE ) 功率分数的最大值低于10%。 关键词 激光器;光纤激光器;掺铒光纤放大器;分布式光纤传感 中图分类号 TN248.1 文献标识码 A doi :10.3788/CJL 20103706.1501 A n All Fi be r L as e r f o r Dis t ri but ed Op t ical Fi be r S e ns o r Gao Cunxiao 1 Zhu Shaolan 1,2 Feng Li 1 Song Zhiyuan 1,2 Cao Zongying 1 He Haodong 1 Niu Linquan 1,2 1 St a te Key L abor ator y of Tr a nsie nt Op tics a n d Photonics ,Xi ′a n I nstit ute of Op tics a n d Precision Mecha nics , Chi nese Aca de m y of Sciences ,Xi ′a n ,S ha a nxi 710119,Chi n a 2 Gr a d ua te U niversit y of Chi nese Aca dem y of Scie nces ,Beiji ng 100049,Chi n a Abs t r act An all fiber laser which is suitable for dist ributed optical fiber sensor is reported.The laser is based on the technique of master 2oscillator 2power 2amplifier (MOPA ),whose seed laser is a laser diode and amplifier is Er 3+doped fiber amplifier.The laser operates in wavelength of 1550nm with the tunable repetition rate and the p ulsewdith ,and the 3dB width is less than 0.2nm.The maximum peak power 1.1kW of laser p ulse is obtained ,and the power of amplified spontaneous emission (AS E )in the outp ut pulse is less than 10%in all condition.Key w or ds lasers ;fiber laser ;Er 3+doped fiber amplifier ;dist ributed optical fiber sensor 收稿日期:2010203222;收到修改稿日期:2010204216 作者简介:高存孝(1979—),男,助理研究员,主要从事脉冲光纤激光器、放大器以及脉冲半导体激光器技术等方面的研 究。E 2mail :cxgao @https://www.360docs.net/doc/fa7095481.html, 1 引 言 分布式光纤传感技术是集光、机、电为一体的综合性技术,具有寿命长、耐高电压、抗电磁干扰和系统简单等优点,可以实现连续的空间温度测量、气体泄漏的在线监测等,目前已经广泛用于电力冶金、石油化工、交通运输和火灾预防报警等诸多领域[1～4]。在分布式光纤传感系统中光纤既作为传输通道,同时又是传感的功能元件,可以非常容易地获得链路上被测量参数的空间分布和时间变化信息,这是传统光纤传感所无法比拟的。 目前的分布式光纤传感技术主要有:基于光纤拉曼散射或布里渊散射的光时域反射及频域反射技 术、基于光纤瑞利散射的偏振光时域反射技术、长距 离光干涉技术、菲涅耳反射技术以及准分布式光纤布拉格光栅复用技术等[5～12]。这些技术分别有各自的特点,适合于不同的应用场合。对于基于光纤拉曼散射的光时域反射技术而言,其工作原理是利用光纤背向拉曼散射的温度效应,即光纤所处空间各点的温度场能够改变光纤中背向拉曼散射光的强度,通过测量拉曼反射光的强度就可以得到相应的温度值,并使用光时域反射技术来确定所测温度点的位置。这种分布式光纤传感技术系统结构简单、成本低和应用范围广,目前已经实现了10km 以上的测量距离,是一种很有市场前景的技术。
分布式光纤传感技术及其在工程监测中的应用
分布式光纤传感技术及其在工程监测中的应用? 施斌丁勇索文斌高俊启 （南京大学光电传感工程监测中心, 210093 南京） [摘要] 分布式光纤传感技术，如布里渊散射光时域反射测量技术（简称BOTDR），是国际上近几年才发展成熟的一项尖端技术，应用非常广泛。本文着重介绍 BOTDR分布式光纤传感技术在隧道、基坑和路面等三个方面的应用。在工程监 测过程中积累起来的大量监测数据表明，BOTDR分布式光纤传感技术，是一种 全新而可靠的监测方法，它在工程实践中的应用，为工程监测提供了一种新的 思路，因而必将拥有一个广阔的发展前景。 [关键字] BOTDR 光纤传感工程监测应变 1.引言 随着人们对工程安全要求的日益提高，近年来，一批新式的传感监测得到发展，它们不是对传统传感监测技术简单的加以改良，而是从根本上改变了传感原理，从而提供了全新的监测方法和思路。其中，尤以BOTDR分布式光纤传感技术为世人所瞩目，它利用普通的通讯光纤，以类似于神经系统的方式，植入建筑物体内，获得全面的应变和温度信息。该技术已成为日本、加拿大、瑞士、法国及美国等发达国家竞相研发的课题。这一技术在我国尚处于发展阶段，目前已在一些隧道工程监测中得到成功应用，并逐步向其他工程领域扩展。 南京大学光电传感工程监测中心在南京大学985工程项目和国家教育部重点项目的支持下，建成了我国第一个针对大型基础工程的BOTDR分布式光纤应变监测实验室，开展了一系列的实验研究，并成功地将这一技术应用到了地下隧道等工程的实际监测中，取得了一批重要成果，为将这一技术全面应用于我国各类大型基础工程和地质工程的质量监测和健康诊断提供了坚实基础。 2.BOTDR分布式光纤传感技术的原理 布里渊散射同时受应变和温度的影响，当光纤沿线的温度发生变化或者存在轴向应变时，光纤中的背向布里渊散射光的频率将发生漂移，频率的漂移量与光纤应变和温度的变化呈良好的线性关系，因此通过测量光纤中的背向自然布里渊散射光的频率漂移量(νB)就可 ?本项目研究受国家杰出青年科学基金项目（40225006）和国家教育部重点项目资助项目（01086）
分布式光纤传感技术的分类与对比
分布式光纤传感技术的分类与对比 分布式光纤传感技术（DOFS）采用光纤做传感介质和传输信号介质，通过测量光纤中特定散射光的信号来反映光纤自身或所处环境的应变或温度的变化，一根光纤可实现成百上千传感点的分布式传感测量。因光纤具有尺寸小、重量轻、耐腐蚀、抗辐射抗电磁干扰、方便布设等特点，分布式光纤传感技术具有传统传感器不可比拟的优势，吸引了不少科研工作者和众多厂家的关注，目前，国内外都推出了商用化的分布式光纤传感测量系统，广泛应用到各个领域。 分布式光纤传感技术从光纤中光的散射原理可分为以下三类：基于瑞利散射的分布式光纤传感技术，基于布里渊散射的分布式光纤传感技术和基于拉曼散射的分布式光纤传感技术；从光学信号测试方法的不同又可分为两类：光时域反射技术（OTDR）和光频域反射技术（OFDR）。三种散射原理的设备都有OTDR技术的仪器和OFDR技术的仪器，各类原理的分布式光纤传感仪的对比见下表。 分布式光纤传感仪的分类与对比
目前应用于光通信领域的OTDR技术非常成熟，携式产品国内外厂家众多，产品在光纤链路诊断中广泛应用，但受限于探测光脉冲宽度，其空间分辨率与动态范围有限，测试中有盲区，难以满足较大动态范围和较高空间分辨率的应用领域，不适用于高精度测量领域。OFDR技术恰好弥补了上述不足，具有超高空间分辨率，非常适合高精度高分辨率领域的测量。如在光通信领域，可在待测光纤链路中轻松查找判别宏弯、接头、连接点和断点，精准测量插损、回损。技术同时还可以应用于温度与应变传感领域，在分布式温度应变测量中，空间分辨率可达1mm，传感精度最高可达±0.1℃\±1.0με。 拉曼散射主要用于测温，一般测量范围在10公里，分辨率在米量级，测温精度在1℃;布里渊散射的BOTDR、BOTDA及BOFDA技术，测量范围可达到几十公里，空间分辨率约0.5m，其中BOFDA技术最高能实现2cm的空间分辨率，但布里渊散射原理的系统整个装置非常复杂，测量时间较长。
分布式光纤温度传感系统重点
浅谈光纤感温系统的应用 近年来，随着高速公路正成为社会经济发展的命脉，公路隧道更是其咽喉重地，我国道路交通建设不断加快，公路隧道逐渐增多，隧道火灾事故也逐步增多，做好隧道灭火救援工作,对于构建和谐社会，具有十分重要的意义。 公路隧道呈管状结构，其空间具有密闭性与特殊性。隧道内一旦发生行车火灾安全事故,产生的热量与烟雾不易散发，并且急剧积累，会严重威胁隧道的行车安全与畅通运营，使隧道结构与设施受到损伤。高速公路隧道由于车流量大、车速高的特性.其火灾事故产生的危害比一般路段的火灾要严重得多。 光纤温度传感器系统是近年来发展起来，用于实时测量空间温度场的系统。系统中光纤即是传输媒体又是传感媒体，利用光纤背向拉曼散射的温度效应，光纤所处的空间温度场调制了光纤是背向拉曼散射的强度（反斯托克斯背向拉曼散射光的强度，经波分复用器和光电检测器采集带有温度信息的背向拉曼散射光信号，经信号处理可以解调出实时的温度信息。在时域中，利用光时域反射技术（Optical Time Domain Reflection，根据光在光纤中的传输速率和背向拉曼散射光的回波时间，可以对温度点进行定位。 光纤感温系统得到了大量的应用，但由于自身存在一定的局限性，导致了长度超 过4000米的隧道无法使用这种先进的火灾报警系统。基于老式感温系统的局限性 现今对其进行一系列的改进，产生了分布式光纤感温系统。 分布式光纤温度传感系统（DTS依据光纤的光时域反射（OTDR和光纤背向Raman 散射的温度效应，探测出沿着光纤不同位置的温度的变化，实现真正分布式的测量。在系统中光纤既是传输媒体又是传感媒体，光纤所处空间各点的温度场调制了光纤中的背向Raman散射光的强度仮tokes背向Raman散射光的强度，经波分复用器和光电检测器采集了空间温度信息，环境下由工程师调试编程来完成。设定区域长度及报警点,系统校订均可采用Windows 2000版本软件来完成。
基于布里渊散射光的分布式光纤传感技术
基于布里渊散射的分布式光纤传感技术 1.引言 光导纤维在通信系统中的应用早已为人熟知，如今全世界高速便捷的网络也离不开光纤的发展。除了光纤通信以外，还有另一类针对光纤的重要研究方向——光纤传感。 与传统的电类传感器相比，光纤传感器具有抗电磁干扰、重量轻、易于嵌入、成本低等优点。这些优势使得光纤传感技术在实际工程中的应用拥有非常乐观的前景。例如，在一些环境恶劣，如强磁场的检测条件下，电类传感器可能无法正常工作或者损坏，但是光纤传感器受到外界影响较小，仍能保持稳定的工作状态。在对建筑结构的检测中，光纤传感器同样是较佳的选择。由于光纤本身重量轻且纤细，可以方便地分布在建筑结构中，对结构的各个部位进行全面的监控。另外光纤嵌入后不会对结构造成较大的影响，使结构保持其原有的状态。 分布式光纤传感是光纤传感技术中的一个研究热点，其优势是能够测试光纤沿线各点处的传感参量。虽然一般情况下其测试精度不如高精度的点式传感器，如光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)，但是其利用光纤的特性真正实现了“全分布式”的传感。前述对建筑结构的检测，即是分布式光纤传感的一个重要应用。 基于布里渊散射的分布式传感技术是分布式传感中的研究热点，因其能够对应变与温度实现较高精度的单参量或双参量同时测量，在实际应用中亦有广阔的前景。本文仅关注其中的一种——布里渊光时域反射技术(Brillouin Optical Time-domain Reflectometry, BOTDR)。布里渊光时域反射技术是最简单的一种形式，其空间分辨率、测量精度等不如其他更为复杂的布里渊传感技术，但是拥有更简单的系统结构和单端测量的优势，且其性能指标已经可以满足许多应用的要求，因此在实际应用中更受欢迎。 由于布里渊光时域反射技术测量的是自发布里渊散射，其信号微弱，信噪比较低。并且其各项性能指标之间相互制约，难以得到同时提高，例如空间分辨率和频移精度之间存在的权衡问题。为了试图解决或改善这些问题，本文对其重要的性能参数进行详尽分析，将对布里渊光时域反射技术中的信号处理技术和编码
光纤传感器的今日发展概况
光纤传感器的今日的发展概况 一、引言 随着密集波分复用DWDM技术、掺铒光纤放大器E DFA技术和光时分复用OTDR技术的发展和成熟，光纤通信技术正向着超高速、大容量通信系统的方向发展，并且逐步向全光网络演进。在光通信迅猛发展的带动下，光纤传感器作为传感器家族中年轻的一员，以其在抗电磁干扰、轻巧、灵敏度等方面独一无二的优势，已迅速成长为年成交额超过10亿美金，并预计将于2010年拥有超过50亿美金市场的产业。每年由美国光学工程师学会(OSA)主办的光纤传感国际会议（OFS）及时报道着光纤传感领域的最新进展，并对光纤传感及其相应技术进行有益的研讨。 当前，世界上光纤传感领域的发展可分为两大方向：原理性研究与应用开发。随着光纤技术的日趋成熟，对光纤传感器实用化的开发成为整个领域发展的热点和关键。由于光纤传感技术并未如光纤通信技术那样迅速地获得产业化，许多关键技术仍然停留在实验室样机阶段，距商业化有一定的距离，因此光纤传感技术的原理性研究仍处于相当重要的位置。由于很多光纤传感器的开发是以取代当前已相当成熟，可靠性和成本已得到
公认，并已经被广泛采用的传统机电传感系统为目的，所以尽管这些光纤传感器具有如电磁绝缘、高灵敏度、易复用等诸多优势，其市场渗透所面临的困难和挑战是可想而知的。而那些具有前所未有全新功能的光纤传感器则在竞争中占有明显优势，FBG和其它的光栅类传感器就是一个最好的例证。当前的原理性研究热点集中于光纤光栅（FBG和LPG）型传感器和分布式光纤传感系统两大板块。 FBG型光纤传感器自发明之日起，已走过了原理性研究和实验论证的百家争鸣阶段。目前成熟的FBG制作工艺已可形成小批量生产能力，而研究的焦点也转向解决高精度应用，完善解调和复用技术，以及降低成本等几个方向上。另一方面，由于光纤传感器具有将传输与传感媒质合而为一的特性，使得沿布设路径上的光纤可全部成为敏感元件，因此，分布式传感成为光纤传感器与生俱来的优点。 对于光纤传感技术的应用研究主要有以下四大类：光（纤）层析成像技术（OCT，OPT）、智能材料（SMART M ATERIALS）、光纤陀螺与惯导系统（IFOG，IMIU ）和常规工业工程传感器。另外，由于光纤通信市场需求的带动以及传感技术的特殊要求，新型器件和特种光纤的研究成果也层出不穷。
分布式光纤传感技术
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引起的，散射光的频率与入射光的频率相同。一般采用光时域反射（OTDR ）结构来实现被测量的空间定位。瑞利散射的原理是沿光纤传播的光在纤芯内各点都会有损耗，一部分光沿着与光纤传播方向成180°的方向散射，返回光源。利用分析光纤中后向散射光的方法测量因散射、吸收等原因产生的光纤传输损耗和各种结构缺陷引起的结构性损耗，通过显示损耗与光纤长度的关系来检测外界信号场分布于光纤上的扰动信息。由于瑞利散射属于本征损耗，因此可以作为应变场检测参量的信息载体，提供沿光路全程的单值连续检测信号。 利用光时域反射（OTDR ）原理来实现对空间分布的温度的测量。当窄带光脉冲被注入到光纤中去时，该系统通过测后向散射光强随时间变化的关系来检查光纤的连续性并测出其衰减。入射光经背向散射返回到光纤入射端所需的时间为t ，激光脉冲在光纤中所走过的路程为2L=v*t 。v 是光在光纤中传播的速度，v=c/n ，c 为真空中的光速，n 为光纤的折射率。在t 时刻测量的是离光纤入射端距离为L 处局域的背向散射光。采用OTDR 技术，可以确定光纤处的损耗，光纤故障点、断点的位置。 可以看出，在光纤背向散射谱分布图中，激发线0v 两侧的频谱是成对出现的。在低频一侧频率为0v v -?的散射光为斯托克斯光Stokes ；在高频的一侧频率为0v v +?的散射光为反斯托克斯光anti-Stoke ，它们同时包含在拉曼散射和布里渊散射谱中。 光纤中的散射光谱 1. 基于瑞利散射的光纤传感技术原理 瑞利散射主要特点有： (1) 瑞利散射属于弹性散射，不改变光波的频率，即瑞利散射光与入射光具有相同的波长。 (2) 散射光强与入射光波长的四次方成反比，即 上式表明，入射光的波长越长，瑞利散射光的强度越小。 (3) 散射光强随观察方向而变，在不同的观察方向上，散射光强不同，可表示为 其中，θ为入射光方向与散射光方向的夹角；0I 是/2θπ=方向上的散射光强。 (4) 散射光具有偏振性，其偏振程度取决于散射光与入射光的夹角。自然光入射到各项同性介质中，在垂直于入射方向上的散射光是线偏振光，在原入射光及其反方向上，散射光仍是自然光，在其他方向上是部分偏振光，偏振程度与θ角有关。 对于光纤中脉宽为W 的脉冲光，它的瑞利散射功率P R 为 当光波在光纤中向前传输时，会在光纤沿线不断产生背向的瑞利散射光，根据式(3-3)可知，这些散射光的功率与引起散射的光波功率成正比。由于光纤中存在损耗，光波在光纤中传播时能量会不断衰减，因此光纤中不同位置处产生的瑞利散射信号便携带有光纤沿线的损耗信息。另外，由于瑞利散射发生时会保持散射前光波的偏振态，所以瑞利散射信号同时包含光波偏振态的信息。因此，当瑞利散射光返回到光纤入射端后，通过检测瑞利散射信号的功率、偏振态等信息，可对 外部因素作用后光纤中出现的缺陷等现象进行探测，从而实现对作用在光纤上的相关参量如压力、弯曲等的传感。 2. 光时域反射（OTDR ）技术 2.1 OTDR 原理 光时域反射技术用于检测光纤的损耗特性，它是检测光纤衰减、断裂和进 行空间故障定位的有力手段，同时也是全分布光纤传感技术的基础。