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分布式光纤传感技术及其应用

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专题报道I光纤传感分布式光纤传感技术及其应用DistributedOpticalFiberSensingTechnologyandItsApplications刘德明孙琪真(华中科技大学,湖北武汉430074)LiuDemingSunQizhen(HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan,Hubei430074,China)摘要分布式光纤传感技术是近年来光纤传感领域的研究热点。介绍了该领域的研究成果,包括基于光纤后向散射光时域及频域反射技术、基于光纤瑞利散射偏振光时域反射、基于长距离光干涉技术的分布式光纤传感以及基于非同和全同光纤布拉格光栅复用的准分布式光纤传感技术;论述了分布式光纤传感系统的工作原理、特点及性能;介绍了其在民用工程结构、航空航天、船舶工业、电力工业、石油化工业和医学等各个领域中的应用。关键词分布式光纤传感;后向散射;偏振;光纤干涉;光纤光栅AbstractThedistributedopticalfibersensingtechnologyisthehotoffthepressintheopticalfibersensingfieldinrecentyears.Theresearchachievementsareintroduced,includingthefulldistributedfibersensorsbasedontheopticalfiberbackscatteringtimedomainandfrequencydomainreflectiontechniques,theopticalfiberRayleighscatteringpolarizationsensitiveopticaltimedomainreflectiontechniques,thelongdistanceopticalfiberinterferencetechniques,andthequasi-distributedfibersensorsbasedonthenon-identicalandidenticalfiberBragggratingsmultiplexingtechniques.Moreover,theworkingprincpes,characteristicsandperformanceofthedistributedopticalfibersensingsystems,andtheirapplicationsinthecivilengineeringstructures,aeronauticsandastronautics,shippingindustry,powerindustry,petrochemicalindustryandmedicineareasarecomprehensivelydiscussed.Keywordsdistributedopticalfibersensing;backscattering;polarization;opticalfiberinterference;fibergrating中图分类号:TN247doi:10.3788/LOP20094611.00291引言布状态和随时问变化的信息。已经报道的分布式光纤传近年来,光纤传感技术迅速发展,受到人们越来越感技术主要有:基于光纤拉曼散射或布里渊散射的光时多的关注,正逐步成为继光纤通信产业发展之后又一大域反射及频域反射技术(舳一OTDR/OFDR)、基于光纤光纤应用技术产业。其中,分布式光纤传感是目前国内瑞利散射的偏振光时域反射技术(P—OTDR)、长距离光外研究的热点之一【】1。分布式光纤传感测量是利用光纤干涉技术以及准分布式光纤布拉格光栅复用技术等。本的一维空间连续特性进行测量的技术。光纤既作传感元文将从以上4个方面综述分布式光纤传感技术的研究件,又作传输元件,可以在整个光纤长度上对沿光纤分热点和难点,并介绍其在民用t程、航天、海洋、电力、石布的环境参数进行连续测量,同时获得被测量的空间分油化工及医疗等各个领域的应用价值。万方数据中国光学期刊网:WWWopticsjournalnet29FEATURElFiberSensing2分布式光纤传感技术原理2.1基于后向散射的分布式光纤传感技术如图l所示,当光波在光纤中传输时,会产生后向散射光,包括瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射。检测由光纤沿线各点产生的后向散射,通过这些后向散射光与被测量(如温度、应力、振动等)的关系,可以实现分布式光纤传感。图1光纤中的后向散射2.1.1基于拉曼散射的分布式光纤温度传感f2】测量光纤中的反斯托克斯喇曼反射信号可以实现分布式温度传感。从20世纪80年代开始,国内外对反斯托克斯拉曼散射信号的光时域测量技术进行了大量的研究。如图2所示,利用光纤背向拉曼散射的温度效应,光纤所处空间各点的温度场调制了光纤中反斯托克斯背向拉曼散射光的强度,利用光纤的光时域反射技术(OTDR)检测对所测温度点定位。这种技术测量原理简单,造价相对低廉,目前已经能够实现10km以上的测量距离,并得到一定程度的应用。但是它需要高功率、短脉冲的光源和高速信号放大采集器件,其测温精度和空间分辨率受到器件性能和造价的。图2基于拉曼散射的分布式光纤温度传感原理示意图近年来光频域反射技术(OFDR)也得到较快发展。OFDR技术,采用功率调制的连续激光做光源,因此其后向拉曼散射功率比同样入射条件下的OTDR30嫩光与光电子学进展2009.1万方数据1技术高近2000倍,信号虽然高速调制,但是频带窄,容易通过滤波除去噪声,能够大大提高传感信号的信噪比,在空间分辨率、检测精度和实时性方面具有更大的优势。2.1.2基于布里渊散射的分布式光纤温度/应力传感[3】用窄线宽连续激光对单模光纤进行抽运时,布里渊散射是~种主要的非线性效应。布里渊散射的散射性能可以用布里渊散射频移大小来描述,其大小与介质的声子速率有关,而该速率依赖于温度和应变。通过光谱分析获得温度或应力信息,并采用脉冲光对参量场分布进行定位,即可实现分布式光纤温度和应力传感,如图3所示。图3基于布里渊散射的分布式光纤传感原理示意图基于受激布里渊散射的分布式光纤传感技术对于温度、应力等单一分布参数的测量有很高的精度和空间分辨率,是近年来发展起来的一种最具潜力和突破性的技术。它一般采用抽运一探测(Pump—Probe)结构,称为布里渊光学时域分析(BOTDA)。目前,基于受激布里渊散射的分布式光纤传感技术主要包括基于脉冲激光抽运的BOTDA、基于相关连续波的BOTDA以及基于暗脉冲激光抽运的BOTDA。2.2基于偏振光时域反射的分布式传感【2】偏振光时域反射(POTDR)传感是通过检测光纤中偏振态变化来达到分布式光纤传感目的的一种新型传感技术。POTDR技术是在OTDR技术的基础上发展起来的,其工作原理为:基于待测单模光纤中的后向瑞利散射光包含着偏振态沿光纤变化的附加信息。将线偏振光耦合进光纤,光脉冲在光纤中传输时发生瑞利散射,散射过程中光的偏振态随外界参量对纤的作用而变化,同时光的偏振性是位置的函数,因此探测后向散射光的偏振特性,即可得知光纤中偏振特性的时间分布及空间分布,从而获得被测量的场分布。2.3基于光干涉技术的分布式传感2.3.1基于干涉仪复用的传感器将马赫一曾德尔、萨格尼克以及迈克尔逊等长程干涉仪混合使用,可对随时间变化的扰动进行分布式测量(传感和定位)。例如,萨格尼克/马赫一曾德尔【4】、萨格尼克/迈克耳逊【5】、萨格尼克/萨格尼克【6】、马赫一曾德尔/马赫一曾德尔以及差分环/环等双干涉仪结构,其中包括单光源单探测器和单光源双探测器等类型。图4是一种代表性结构,其中LD,C。,L。,L2和PD,构成萨格尼克干涉仪;LD,C。,L。~L4,k—k,C3和PD。构成马赫一曾德尔干涉仪,其中L。为传感光纤。由两路输出相移即可计算得到干扰的大小和发生位置,实现分布式传感。系统的定位精度可以达到5m。图4采用萨格尼克和马赫一曾德尔干涉仪的分布式光纤传感器2.3.2基于调频连续波的干涉方法【2】传感系统的实验装置如图5所示,主要由调频连续波光源、迈克尔逊反射干涉仪和信号接收部分组成,在干涉仪的参考光路中引入一个带有移频器的光学回路(长度为£),用来扩大测量范围;移频器为一个声光调制器,工作频率为,;一根单模光纤作为信号光路,既传感信号又传输信号。由于参考光路中是一个带有移频器的光学回路,参考光束被加长到光学回路长度的整数倍N/;并具有整数倍移频器的工作频率Nf,因此,来自不同回路长度整数倍区域内的被检测信号可在相应的整数倍移频器工作频率的区域内被观测到,实现分布式传感。图5基于调频连续波的分布式光纤传感系统2.4基于光纤布拉格光栅的准分布式光纤传感光纤布拉格光栅(FBG)是一种性能优异的波长万方数据专题报道I光纤传感调制型测量敏感元件,探测能力不受光源功率波动、光纤弯曲损耗、探测器老化等因素的影响,适合长期安全监测【7l。鉴于FBG对温度、应力、压力及振动等外界参量的高灵敏度传感功能,同时又具有体积小、动态区间宽、可靠性高等突出优点,因而成为目前光纤传感领域内最有力的竞争者,在许多工业和工程领域特别是恶劣环境或超大型的结构中有广泛的应用,被认为是实现“光纤灵巧结构”的理想器件。为了将FBG更好的应用于分布式光纤传感中,增加可检测区域范围,提高检测空间分辨率和精度,同时降低系统成本,如何有效提高FBG的复用能力是急待解决的技术难题。目前对光纤光栅复用技术的研究受到广泛关注。复用的FBG主要有两种:中心波长不同的非同光栅以及中心波长、带宽、敏感特性均一致的全同光栅。2.4.1基于非同光栅的准分布式传感由于FBG良好的波长调制特性,其使用最广泛的复用方式就是波分复用(WDM)IS,g]。采用非同光栅做传感器,光栅单元可通过反射波长分辨。由于每个光栅单元占用一定的运行带宽和测量带宽,彼此间不能交叠,因此复用数目受到宽带光源谱宽,一个阵列一般只能复用10个左右的光栅。多波长编码技术以同一位置的多个光栅组成的编码式光纤光栅为传感探头,根据乘法原理,系统可布探测点按指数函数增长。但这种方法需要多个宽带光源和多组波长解调器,还要在光纤同一位置制高,而且复用数目的增长仍然有限。波分复用原理的时分复用(TDM)也是一种很重要的复用技术【lol,间隔一段时间出现,即FBG传感器在时域上可分辨。因此一般将TDM和WDM技术结合,组成一系列连中国光学期刊网:1^n^,、^,opticsjournalnet31作多个不同波段的光栅,系统成本和技术实现难度较技术实现主要有波长扫描法和波长分离法,需要波长编解码过程,测量准确度受到滤波器、波分复用器等器件的分辨率。它可以大大增加可测光栅传感器的数目,利用干涉检测方案可实现较高的分辨率。复用系统中的单激光源提供窄脉宽的脉冲光,由于复用的光栅传感单元之间存在很长一段距离,所以FBG反射的信号会连续地检测系统对所选择的时间窗口的反射信号进行检测,系统的信噪比小、分辨率高。考虑到光源的强度和光栅及光纤传输的衰减,TDM的复用容量一般小于10。接结构不同的光栅传感阵列,使准分布式光纤传感复用容量大大提高。其他的复用技术包括频分复用FEATUREIFiberSensing(FDM)|1l】、码分多址(CDMA)[翻。2.4.2基于全同光栅的密集型准分布式光纤传感在分布式FBG传感系统中采用全同光栅,获取的全同光栅的反射信号相当于复用技术中获取一种波长的传感器反射信号,使得光源的带宽和解调器带宽不再是传感器数量的瓶颈问题。理论上全同光栅在数量上不受光源带宽和波长解调带宽的,可以满足多种场合下密集型准分布式传感要求。华中科技大学提出一种基于全同弱布拉格反射光栅的密集型大容量准分布传感技术。采用全同弱布拉格反射周期结构光纤作为分布式传感的检测载体,这种分布式智能光纤的主体是多个全同的弱布拉格反射周期结构,沿长程光纤纤芯呈准连续密集分布。和传统FBG相比,它的折射率调制强度和光栅长度要4,-/E多,它的传输特性是一种窄带宽弱反射,仅对中心波长附近极小的范围有很低的反射率㈣,例如最大反射率低于1%,3dB反射带宽小于0.05nn3。当信号光入射光纤纤芯,到达传感单元位置时,其中较微弱的一部分光被中心波长与信号光波长一致的周期结构反射,剩下的大部分光继续向前传输直至到达下一个周期结构位置。这种传感机理融合了非线性后向散射传感和光纤布拉格光栅传感的特点,一方面它属于波长调制型传感器,另一方面可采用OTDR技术实现定位,我们将这种基于波长域和时间域二维空间数据分析的传感及定位检测新方法称为“光波长时域反射”技术。这种密集型传感机理有机融合了现有的光纤光栅传感“波长检测”以及光纤非线性后向散射传感“时域反射定位”两种技术的优越性,同时又消除了光纤光栅传感容量受限以及光纤非线性后向散射传感精度受限的缺陷【14】,大幅度提高传感系统容量以及传感距离。3分布式光纤传感技术的应用分布式光纤传感技术具有极优异的测量精度、可靠性和动态测量特性,而且本质安全,易于工程铺设,因此在民用工程、航空航天、电力、石油化工、医疗等领域中都有着广泛的应用。3.1民用工程结构中的应用分布式光纤传感技术广泛应用于民用工程结构如桥梁等建筑的安全检测、岩石变形测量、道路和场地测量以及周界安防监控中,可为监测交通工具的速度、载重及种类提供很重要的数据。这种传感器的测量精度可以达到几个微应变级,具有很好的可靠性,可实现动态测量,采用分布式埋入还可以实现对整个建筑物的32嫩W与摊电字学进展2009.1万方数据1健康状况监测,从而防止工程及交通事故的发生。3.2航空航天领域中的应用在航空航天领域,飞行安全是人们十分关注的一个方面。光纤传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高等优点。分布式光纤传感技术早在1988年就成功地在航空航天领域中用于无损检测。将光纤传感器埋人飞行器或者发射塔结构中,构成分布式智能传感网络,可以对飞行器及发射塔的内部机械性能及外部环境进行实时监测。波音公司在这方面进行了许多研究。目前可以使用分布式光纤传感技术实现飞机机翼、羽翼、稳定轴、支撑杆等处应变及位移监测,并且还有电机、电路等连接部位的运行温度实时在线测量。3.3船舶工业中的应用光纤传感技术在船舶工业中也有着广泛应用,如船体关键位置的应变监测、损伤评估和超负荷条件下的早期报警。船舶的结构缺陷常常影响其安全性能,基于分布式光纤传感技术的大型结构健康监测系统可以实时监测船体的健康状态,从而预防事故的发生。例如,目前美海军和航运公司合作的GCRMTC计划,已成功将光纤传感技术大规模用于船舶、潜艇损伤的实时检测。3.4电力工业中的应用电网规模迅速扩大和电压等级的不断提高,对电力设备的可靠性和安全运行提出了更高要求,而高压检测技术却跟不上形势的发展,常规检测设备已不能满足当前的需要。目前分布式光纤传感器是较理想的一种检i贝0技术,在高压电力系统的安全监控中有着重要应用。比如可以用于电缆温度和电缆导体载流量的监控,利用分布式光纤传感可以实时监测长距离输电线路表面的温度,计算导体温度许用负载和载流量,进而为输电线路的故障监测和负荷管理提供全面而有效的解决方案,保障输电线路的安全,可以提高资产利用率,发现潜在故障,实现预防性维护。3.5石油化工业中的应用泄漏是输道运行的主要故障,往往也会由此造成巨大损失。因而,输道泄漏检测是石油行业亟待解决的重要问题。利用铺设在管道附件的传感器,拾取管道由于泄漏、附近机械施工和人为破坏等事件产生的压力和振动信号,进一步可以通过传感相关技术检测管道泄漏并进行定位。分布式光纤传感技术由于能够获得被测物理场沿空问和时问上的连续分布信息,非常适合用于长距离管道泄漏检测。另外,利用分布式光纤传感技术还可实时监测高压管道应变和弯曲状况。专题报道l光纤传感3.6医学中的应用光纤传感器柔软、小巧、自由度大、绝缘、不受射频和微波干扰、测量精度高,在医学中的应用具有明显优势,例如对人体血管等的探测,人体外科校正和超声波场测量等。光纤内窥镜使得检查人体的各个部位几乎都是可行的,且操作中不会引起病人的痛苦与不适,其中光纤血管镜已应用于人类的心导管检查中。光纤内窥镜不仅用于诊断,目前也正进入治疗领域中,例如息肉切除手术等。微波加温治疗技术是当前治疗的有效途径,但微波加温治疗技术的温度难以把握,而光纤温度传感器恰可以对微波加温治疗技术的有效温度进行监测。光纤温度传感器在癌症治疗方面的研究和应用正日益兴起。纤传感器中最具潜力的发展方向之一。当然,目前仍存在很多问题需要解决,例如提高空间分辨率、改善探测灵敏度、扩大测量范围、缩短响应时间等。为研究适合特殊场合要求的传感光纤、光源和探测技术寻求有效的解决方案已成为各国学者竞相研究的热点,相信在未来几年内会研究开发出性能更优异的实用方案,进一步促进分布式传感检测技术的应用。收稿日期:2009一lO一16;收到修改稿日期:2009—10—23基金项目:国家自然科学基金项目资助(60937002)。作者简介:刘德明,男,教授,博士生导师,主要从事光纤接人与光纤传感网络技术研究。E—mail:dmliu@mail.hust.edu.cn导师简介:孙琪真,女,博士,讲师,主要从事光纤传感、组网技术和光纤通信等方面的研究。E—maihqzsun@mail.hust.edu.cn(通信作者14结束语分布式光纤传感器具有一系列突出的优点,是光——一参考文献卜一lA.J.Rogers.Atechniqueforthemeasurementoffielddistribution[J].Appl.Opt.,1981,20(6):1060-10742孙琪真,刘德明,王健.全分布式光纤应力传感器的研究新进展【J].半导体光电,2007,28(1):10-153T.Horiguchi,K.Shimizu,T.Kurashima.AdvancesindistributedsensingtechniquesusingBrillouinscattering【C】.SPIE,1995,2507:126-1354Chtcherbakovand5A.A.,SwartP.L.,SpammerS.J..AfibreopticdisturbancelocationsensorusingmodifiedSagnacMach-Zehnderinterferometers[C].Proc.ofOFS一12,1997,16:516-519P.L.,ChtcherbakovA.A..MergedSagnac—MichelsoninterferometerforSpammerS.J.,Swartdistributeddisturbancedetection[J].,LightwavekmFibersection,usingTechn01.,1997,15:972-9766RussellS.J.,BradyK.R.C.,DarkinJ.P..Real—timelocationofmultipletime-varingstrainadisturbances,actingover40anoveldual—Sagnacinterferometer[J].ZLightwaveTechn01.,2001,19(2):205-21378KerseyA.D.,DavisM.A,PatrickH.J.eta1..Fibergratingsensors[J].ZLightwaveTechn01.,1997,15(8):1442-1463BerkoffT.A.,KerseyA.D..FiberBragggratingarraysensorsystemusingaband-passwavelengthdivisionmultiplexer9andinterferometricdetection[J].IEEEPhoton.Techn01.Lett.,1996,8(11):1522-1524DavisM.A.,KerseyA.D..MatchedfilterinterrogationtechniqueforfiberBragggratingarrays【J】.Electron.Lett.,1995,31(10):822-82310ChiChiuChan,WeiJin,HoH.L.etbya1..Performanceanalysisofatinle-division-multiplexedfiberBragggratingsensoruseofatunablelasersource[J].IEEE,Sel.TopicsQuantumElectron.,2000,6(5):741—74911ChenP.K.C.,WeiJin,GongJ.M.eta1..MultiplexingoffiberBraggGratingIEEEsensorsusingaFMCWtechnique【J】.Photon.Techn01.Lett.,1999i11(11):1470—1472S.T..Densewavelengthdivisionmultiplexingof12KooK.P.,TvetenA.B.,VoluafiberBragggratingsensorsusingCDMA[J].Electron.Lett.,1999,35(2):165-1671314ErdoganT..Fibergratingspectra[J】.,LightwaveTechn01.,1997,15(8):1277-1294Marquez-BorbonI.,ShlyaginM.G.,EstebanO.eta1..Remotesensingwithultra-low-reflectiveBragggratingswritteninstandardtelecommunicationfiber[J].Opt.Eng.,2003,42(5):1182-1183万方数据中国光学期刊网:WWW.opticsjournal.net33

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