幾種常見(jiàn)光纖傳感技術(shù) OFDR與其他光纖傳感技術(shù)差異

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概述

光纖本身不帶電，體積小，質(zhì)量輕，易彎曲，抗電磁干擾，抗輻射性能好，可以在傳統(tǒng)傳感器不支持的（如易腐蝕、高溫高濕等）惡劣環(huán)境中工作。因此，光纖傳感技術(shù)一經(jīng)問(wèn)世就受到了極大重視，在各個(gè)領(lǐng)域得到了研究與應(yīng)用。光纖傳感有多種解調(diào)技術(shù)，容易混淆，本文對(duì)幾種常見(jiàn)光纖傳感技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單梳理，并將OFDR技術(shù)與其他技術(shù)作對(duì)比，希望對(duì)大家有幫助。

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幾種常見(jiàn)光纖傳感技術(shù)

不同于傳統(tǒng)傳感器是獨(dú)立個(gè)體，光纖傳感器可以在一根光纖上串聯(lián)多個(gè)傳感單元，組成監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)傳感單元布局設(shè)計(jì)的差異，光纖傳感技術(shù)可分為多點(diǎn)式、準(zhǔn)分布式和分布式三大類。

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點(diǎn)式光纖傳感技術(shù)

光纖光柵（FBG）是常見(jiàn)的一種點(diǎn)式傳感器。FBG是通過(guò)一定方法（如紫外刻寫(xiě)）使光纖纖芯的折射率產(chǎn)生周期性分布，它對(duì)波長(zhǎng)具有選擇性，能夠使特定波長(zhǎng)的光反射，而使其他光透過(guò)。

圖1??FBG結(jié)構(gòu)及波長(zhǎng)選擇性

FBG波長(zhǎng)的表達(dá)式為：

式中為FBG中心波長(zhǎng)，為纖芯有效折射率，為光柵周期。當(dāng)FBG所處環(huán)境溫度或應(yīng)力變化，外力作用下會(huì)導(dǎo)致或改變，從而引起FBG中心波長(zhǎng)的移動(dòng)。 ? 將待測(cè)FBG連接至光纖光柵解調(diào)儀上，通過(guò)光譜分析測(cè)量加載前后的FBG中心波長(zhǎng)的平移，平移量可以通過(guò)傳遞系數(shù)轉(zhuǎn)換為被測(cè)物理量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)FBG位置處的應(yīng)變、溫度或壓力的測(cè)量。

02

準(zhǔn)分布式光纖傳感技術(shù)

在一根光纖上串聯(lián)或制作多個(gè)FBG比較容易，因此光纖光柵解調(diào)儀可采用復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式測(cè)量。如波分復(fù)用技術(shù)，在一根光纖上串聯(lián)多只FBG，每只FBG波長(zhǎng)不同，系統(tǒng)采用寬帶光源和波長(zhǎng)檢測(cè)儀，可得到每只FBG的中心波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)單通道多點(diǎn)測(cè)量。同時(shí)還可以結(jié)合光開(kāi)關(guān)，將光信號(hào)分給不同通道，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多通道解調(diào)，即空分復(fù)用技術(shù)。除此之外，還有波分和時(shí)分復(fù)用結(jié)合的技術(shù)，相同波長(zhǎng)的FBG在光纖中的位置不同，其反射光到達(dá)探測(cè)器時(shí)間不同，可以等時(shí)間間隔采樣進(jìn)行區(qū)分，結(jié)合波分復(fù)用，可實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模的光纖光柵陣列的解調(diào)。

圖2 準(zhǔn)分布式光纖傳感技術(shù)

受限于光源帶寬、單個(gè)FBG傳感波長(zhǎng)移動(dòng)范圍和相鄰FBG反射光譜之間的相互影響，目前光纖傳感中FBG傳感點(diǎn)數(shù)量有限，空間分辨率受限，傳感點(diǎn)之間存在監(jiān)測(cè)盲區(qū)。

03

分布式光纖傳感技術(shù)

分布式光纖傳感技術(shù)（DOFS）采用光纖做傳感介質(zhì)和傳輸信號(hào)介質(zhì)，通過(guò)測(cè)量光纖中特定散射光的信號(hào)來(lái)反映光纖自身或所處環(huán)境的應(yīng)變或溫度的變化，一根光纖可實(shí)現(xiàn)成百上千傳感點(diǎn)的同時(shí)測(cè)量。分布式光纖傳感技術(shù)無(wú)盲區(qū)，突破了FBG解調(diào)復(fù)用傳感單元數(shù)量限制和空間分辨率限制，因而稱為分布式測(cè)量。

圖3 光纖中的后向散射

當(dāng)一束光波射入光纖后，光纖中會(huì)產(chǎn)生后向散射光（見(jiàn)圖3），常見(jiàn)有瑞利散射光、拉曼散射光和布里淵散射光，三種散射效應(yīng)如圖4所示。?

圖4 光纖中三種散射

瑞利散射光為彈性散射，光頻率在散射過(guò)程中不會(huì)發(fā)生漂移。但當(dāng)被測(cè)光纖置于溫度場(chǎng)或應(yīng)變場(chǎng)中時(shí)，受外力作用下光纖內(nèi)部的折射率分布發(fā)生變化，導(dǎo)致光纖的瑞利散射信號(hào)光譜分布在距離域上發(fā)生平移。

布里淵散射過(guò)程是入射光、斯托克斯光和聲波場(chǎng)的三波耦合過(guò)程。由于聲波場(chǎng)的衍射作用，入射光的能量會(huì)向斯托克斯光轉(zhuǎn)移。入射光和斯托克斯光之間存在一定頻差，稱為布里淵頻移。因?yàn)轭l移是溫度和應(yīng)變的函數(shù)，所以可以通過(guò)測(cè)量布里淵頻移實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和應(yīng)變的測(cè)量。

拉曼散射過(guò)程是由于光纖分子的熱振動(dòng)和光子相互作用發(fā)生能量交換而產(chǎn)生的。如果一部分光能轉(zhuǎn)換成熱振動(dòng)，將發(fā)出一個(gè)比光源波長(zhǎng)長(zhǎng)的光，為斯托克斯光；如果一部分熱振動(dòng)轉(zhuǎn)換為光能，將發(fā)出一個(gè)比光源波長(zhǎng)短的光，為反斯托克斯光。根據(jù)拉曼散射理論，兩束反射光的光強(qiáng)與溫度有關(guān)，可以借助反斯托克斯與斯托克斯光強(qiáng)之比來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量。

分布式光纖傳感技術(shù)是利用光纖中的散射機(jī)制，通過(guò)測(cè)量光纖中的散射信號(hào)的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)外界物理量的測(cè)量。常見(jiàn)分布式光纖傳感技術(shù)有基于瑞利散射的OFDR技術(shù)、DAS技術(shù)，基于拉曼散射的ROTDR技術(shù)，基于布里淵散射的BOTDR、BOTDA和BOFDA技術(shù)。

03

OFDR與其他光纖傳感技術(shù)差異

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OFDR技術(shù)與FBG解調(diào)技術(shù)的差異

1）傳感器調(diào)解原理類似。光纖光柵解調(diào)儀是解調(diào)FBG中心波長(zhǎng)的平移，OFDR技術(shù)是解調(diào)光纖中各位置瑞利散射信號(hào)的頻移，兩者溫度/應(yīng)變變化與波長(zhǎng)或頻移的函數(shù)關(guān)系相同。

2）分布式與準(zhǔn)分布式的差異。光纖光柵解調(diào)儀是準(zhǔn)分布式測(cè)量，傳感點(diǎn)數(shù)有限，相臨的傳感單元之間存在監(jiān)測(cè)盲區(qū)；OFDR解調(diào)是高分辨率分布式測(cè)量，無(wú)監(jiān)測(cè)盲區(qū)，具有海量的傳感密度。

3）使用成本。解調(diào)儀方面，相對(duì)于OFDR解調(diào)儀，光纖光柵解調(diào)儀的成本低很多；傳感器方面，OFDR技術(shù)使用普通單模光纖作傳感器，價(jià)格便宜，F(xiàn)BG傳感器因不同波長(zhǎng)及封裝方式，價(jià)格差異較大，特殊FBG價(jià)格高昂。

4）測(cè)量范圍。通常FBG傳感器應(yīng)變測(cè)量范圍為幾千微應(yīng)變，OFDR解調(diào)技術(shù)具有更大應(yīng)變測(cè)量范圍，可達(dá)10000微應(yīng)變以上。

5）傳感器布設(shè)。FBG解調(diào)技術(shù)用戶要提前預(yù)判，將FBG傳感器布設(shè)在目標(biāo)位置，F(xiàn)BG若不在目標(biāo)位置，可能測(cè)不到有效結(jié)果；OFDR是分布式測(cè)量，可以布設(shè)并測(cè)量整根光纖的分布結(jié)果。相對(duì)來(lái)說(shuō)，OFDR單次測(cè)量成功率高，而且可獲得目標(biāo)區(qū)域應(yīng)變或溫度的局部差異。

6）OFDR技術(shù)還可解調(diào)弱反射光纖光柵陣列。OFDR技術(shù)通常是使用普通單模光纖作傳感器，但OFDR也能解調(diào)全同弱反射光纖光柵陣列，通過(guò)獲得更高的信噪比、進(jìn)一步提升測(cè)量穩(wěn)定性和抗干擾能力。

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OFDR技術(shù)與其他分布式技術(shù)的差異

分布式光纖傳感技術(shù)根據(jù)光纖散射原理可分為三類：基于瑞利散射的分布式光纖傳感技術(shù)，基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)和基于拉曼散射的分布式光纖傳感技術(shù)；從光學(xué)信號(hào)測(cè)試方法的不同還可細(xì)分為：光時(shí)域反射技術(shù)（OTDR）和光頻域反射技術(shù)（OFDR）。幾種常見(jiàn)分布式光纖傳感技術(shù)的對(duì)比見(jiàn)下表所示。

表1 分布式光纖傳感技術(shù)分類與對(duì)比

OFDR技術(shù)傳感長(zhǎng)度約100米，空間分辨率mm/cm量級(jí)（以1mm為例，相當(dāng)于1m光纖同時(shí)測(cè)量1000個(gè)傳感點(diǎn)），測(cè)量精度可達(dá)±0.1℃±1με，適合于短距離、高分辨、高精度的應(yīng)變溫度測(cè)量領(lǐng)域，如土木結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，復(fù)合材料疲勞檢測(cè)，新能源汽車(chē)電池組溫度監(jiān)測(cè)等。

OTDR/DAS技術(shù)傳感距離幾十公里，甚至一百公里，但受限于探測(cè)光脈沖寬度，空間分辨率與動(dòng)態(tài)范圍有限，難以滿足較大動(dòng)態(tài)范圍和高空間分辨率的應(yīng)用領(lǐng)域。

ROTDR技術(shù)一般測(cè)量長(zhǎng)度約10公里，分辨率約1m左右，主要用于分布式光纖測(cè)溫，如電力電纜的表面溫度監(jiān)測(cè)、事故點(diǎn)定位及火情消防預(yù)警等。

BOTDR、BOTDA及BOFDA技術(shù)測(cè)量范圍可達(dá)幾十公里，空間分辨率約1m左右，可用于長(zhǎng)距離的分布式應(yīng)變溫度測(cè)量，如巖土工程、石油管線健康監(jiān)測(cè)，地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)等。

目前，以上幾種常見(jiàn)分布式光纖傳感技術(shù)，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上都有商用產(chǎn)品在售。

編輯：黃飛

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