分布式光纤振动传感简介

分布式光纤振动传感简介

一、基本原理

图1 光纤传感技术

光纤传感技术自20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来，它是以光波为载体、光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。

与传统传感技术相比具有很多优点：

１）占空间小、质量轻、可塑性强，可根据不同应用场合设计不同的光纤铺设形状。

２）抗辐射电磁干扰、绝缘性能好、抗腐蚀性能好,用于强辐射、强腐蚀、高温、易燃易爆等场所；

３）传输带宽大、损耗低、适合长距离传输。

４）多参量测量、适用范围广。比如应变、温度、振动、位移、压力等。

其中分布式光纤传感系统由于其在实际施工环境中安装比较简便、能够监测到的距离较长、可以实现连续多点检测等特点，获得了快速的发展。

图2 光纤中后向散射示意图

分布式光纤传感是利用光脉冲在光纤中传输产生的后向散射进行传感，当光在光纤中传输时，光纤中将有三种散射发生：瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射，它们的散射机理各不相同。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，是强度最高的散射光成分；布里渊散射是光纤中的光学光子和光纤中的声学声子发生非弹性碰撞而产生的，布里渊频移场约为11.2GHz，相当于0.08nm。强度比瑞利散射小2个数量级；拉曼散射是光纤中的光学光子和光纤中的光学声子发生非弹性碰撞而产生的，拉曼散射光频移约为12THz，约为100nm,强度比布里渊散射小1个数量级。光谱在入射光波长两侧是成对出现的，在低频一侧的散射光为斯托克斯光(Stokes)，在高频一侧的散射光为反斯托克斯光(Anti-Stokes)，它们同时包含在拉曼和布里渊散射中。通过瑞利散射可以测量光纤的损耗（Optical Time Domain Reflectometer ，OTDR），测量振动（Phase-sensitive Optical Time Domain Reflectometer，φ-OTDR）；利用拉曼散射可以测量温度（Raman Optical Time Domain Reflectometer，R-OTDR），利用布里渊散射可以测量温度和应变（Brillouin Optical Time Domain Reflectometer，B-OTDR）。

分布式光纤传感(Distributed Optical Fiber Sensing,DOFS)非常适合应用于具有大范围、长距离的大型基础设施的结构健康监测。2017年，光纤传感协会(FOSA)发布了全球75个国家DOFS安装的详细信息，中国的部署比其他任何国家都多，大约占所有安装设备的11.3%，紧随其后的是德9.4%、美国6.5%、韩国4.8%，通过测量由于温度、振动或应变信号导致的光缆中光的偏差，可以对电力电缆、管道、铁路、国际边界和关键基础设施进行实时、分布式、长距离的高精度监测。

二、分布式光纤振动传感技术（DVS）

分布式光纤振动传感系统是基于相干瑞利散射光来测量振动，系统采用超窄线宽激光器作为脉冲种子源，光脉冲从光纤的一端注入，用光探测器探测从光纤中返回的后向瑞利散色光。当光纤遭受振动时，振动位置的光相位发生变化，由光干涉原理导致光强发生变化，通过测量注入光脉冲与接收到信号之间的时间延迟得到振动点的位置。

图3 重要区域的防入侵监测应用示意图

图4 长距离基础设施防破坏监测应用示意图

DVS在长距离、直线型、无人值守的基础设施的安全防护方面具有无可比拟的优势，可广泛应用在边境线的入侵防护、公路铁路周界防护和车辆路径监测、石油、天然气、电缆、给排水等埋地管道的防破坏预警监测，可以在偷盗或野蛮施工等威胁行为对管道实施破坏前进行预警，及时制止威胁行为的进一步发生。

主要技术指标：

    主要应用方向：

图5 分布式振动传感主要应用领域

1、重要区域的防入侵监测

1)     政府机关

2)     军事基地

3)     学校

4)     银行

5)     博物馆

6)     监狱

7)     机场

8)      油库

9)      核电站

10)     化工厂

2、长距离基础设施防破坏监测

1)      石油管道

2)      天然气管道

3)      给排水管道

4)      埋地电缆

5)      高铁

6)      地铁