分布式光纤振动技术

分布式光纤振动技术（精选8篇）

分布式光纤振动技术 第1篇

关键词：路基塌陷,分布式光纤振动技术,塌陷监测

随着我国经济的快速稳定增长, 铁路建设, 特别是高铁建设, 正以前所未有的速度发展。目前, 我国铁路营业里程已达11.2万km, 位居世界第一。2014年我国完成铁路建设投资8 088亿元, 新线投产8 427 km, 包括兰新高铁、贵广高铁、南广高铁、沪昆高铁长怀段等一批重大工程项目。这些在建或既有铁路不可避免的穿越岩溶发育区域, 在环境和外部荷载等动静载耦合作用下, 铁路路基因岩溶土洞的存在易发生塌陷等灾难性事故。例如, 1999年—2006年期间浙赣线路基施工期间和通车运营初期先后多次发生岩溶塌陷;2001年武汉市江夏区乌龙泉京沪铁路K1241+070段路基发生岩溶塌陷。岩溶土洞塌陷已经成为影响铁路行车安全最重要的灾害之一。因此, 科学评价铁路路基安全状态是路基工程一个亟待解决的问题[1]。常规监测/检测手段如地表监测技术 (GPS) 、探地雷达法 (GPR) 、合成孔径雷达 (In SAR) 干涉测量法、基于岩溶管道裂隙水 (气) 压力监测的触发因素监测法、高密度电阻率法、浅层地震反射法、钻孔电磁波法 (CT) 、声波透射法等[2,3,4,5]存在检测周期长、容易漏检或漏监的缺陷。分布式光纤振动传感技术可以有效探测施加其上振动信号, 目前已经在周界安防等工程中得到了很好应用。岩溶土洞在发育扩展过程中, 土洞内部的坍塌也会产生振动, 通过对振动信号的采集, 可以对土洞发展及塌陷进行及时监测。本文主要提出采用分布式光纤振动测试技术构建分布式路基塌陷监测系统, 利用该系统采集土洞塌陷引起的振动信息, 为路基安全评估提供行之有效的在线监测方法。

1 分布式光纤振动传感原理

分布式光纤振动监控系统利用光的干涉现象, 当由声音或物体振动产生的压力施加于传感光缆时, 由于弹光效应导致传感光缆的长度和折射率发生变化, 从而引起传感光缆中传输光的相位改变。通过光干涉仪, 将光相位的改变转换为光强度的变化, 从而实现信号的解调。以普通通讯光缆本身作为传感设备, 可以检测一根长达几千米到几十千米的光纤的振动情况和应变, 空间采样间隔仅1 m, 检测周期可达秒级。

2 分布式光纤路基塌陷监测集成系统及工程示范

图1为分布式光纤路基塌陷监测集成系统示意图, 主要包括分布式光纤振动系统、多芯信号传输光缆、分布式光纤振动传感器以及路基结构。其中分布式光纤振动系统测试路基塌陷过程中产生的振动信息。路基用的传感器分层布设, 分布式振动传感器布设在靠近岩溶土洞的上部位置, 便于实时采集岩溶土洞演化过程 (产生→扩展→塌陷) 产生的振动信号。各个传感器通过多芯光缆连接, 然后同光纤振动系统集成构建路基测试网络系统。

图2为某高铁路基结构塌陷试验现场施工图, 传感器沿路基方向布设。图3为150 m处路基塌陷振动信号图, 图中光纤振动传感器可有效监测路基塌陷引起的振动信息并对塌陷位置进行定位。

3 结语

基于分布式光纤振动测试技术构建了路基塌陷分布式光纤监测集成系统, 并在某高铁路基工程中进行了路基土洞塌陷现场模型试验。试验结果表明该集成监测系统可以有效获取路基土洞塌陷引起的振动信息, 并能实现较高精度的塌陷区域定位。

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分布式光纤测温技术综述于 第2篇

光纤传感器以其独特的优点得到了人们的普遍关注，尤其分布式光纤传感技术在土木工程等大范围测量领域成为研究热点。通过对目前分布式光纤测温技术的系统论述，提出了分布式光纤测温技术的两个研究方向：基于光纤后向散射的光时域及频域反射技术的分布式光纤测温和基于光复用技术的光纤光栅分布式测温。通过对分布式光纤测温技术两个方向的工作原理、特点及性能的理论分析及仿真实验，综合论述和分析了分布式光纤测温技术两个方向的优点和缺陷，以及在具体工程中的实际应用。

关键词：

光纤测温； 分布式； 光时域反射技术； 波分复用

中图分类号： TP 212文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2013.05.020

引言

近年来，光纤传感器以其独特的优点——防腐蚀、免疫电磁干扰、灵敏度高、可实现分布式等^[1]得到了人们的广泛关注。特别是光纤传感器可构成传感网络，实现分布式测量，更加适用于大范围测量领域，尤其适于对桥梁^[2]、隧道^[3]、大坝^[4]、高楼^[5]等大型建筑物的结构健康监测。因此分布式光纤传感技术成为近年来光纤传感领域的研究热点。

目前光纤传感器用于分布式测量的研究主要可分为两个方向：一个是基于光纤后向散射的光时域及频域反射技术的分布式测量^[6]；另一个是基于光复用技术的光纤光栅分布式测量^[7]。本文以光纤测温为例，将从其原理、特点和应用等方面对这两种类型的分布式光纤传感技术进行论述和分析。

1基于光散射的分布式光纤测温技术

光在光纤中传输，由于光纤所存在成分和密度的不均匀性，导致光纤中不均匀的折射率分布，使光在光纤中发生散射。其中后向散射包括瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射三种类型，其频谱如图1所示。

光散射型分布式光纤测温技术就是基于光纤内部散射光的温度特性，将较高功率窄光脉冲送入光纤，背向散射光强随光纤环境因素变化，然后利用光时域反射（optical time domain reflectometer，OTDR）技术或光频域反射（optical frequency domain reflectometer，OFDR）技术，将返回的散射光参数探测下来，确定沿光纤分布温度场的变化。

目前针对后向散射光的三种类型，研究出三种分布式光纤测温技术，分别为瑞利散射测温、布里渊散射测温和拉曼散射测温。基于瑞利散射的分布式测温系统^[8]，虽然背向瑞利散射效应相对较强，但在常规材料的光纤中随温度变化不明显，所以实际应用不多；基于布里渊散射的分布式测温系统^[9]，其传感距离、空间分辨率和温度分辨率等性能都较优秀，但在制造和使用上复杂又昂贵，所以目前商业化产品鲜见；基于拉曼散射的分布式测温系统^[10]，其各项性能较好，且相对于基于布里渊散射的分布式测温系统更易实现，因此得到普遍应用。

上式表明了光探测器探测到的光功率为信号返回时间的函数，而返回时间对应于光纤位置。那么通过光电探测器测量的光功率，就能确定产生信号的光纤位置，从而实现了沿光纤温度场的空间分布式测量^[12]。

目前，人们在OTDR的基础上，进一步改进优化，提出了相关的技术：COTDR技术——利用相干接收原理来检测后向散射信号^[13]，POTDR技术——通过光纤中的光偏振态的演化测量分析光纤中的后向散射信号^[1415]。

1.3光频域反射（OFDR）技术

光频域反射（OFDR）技术的基本原理^[16]如图3所示。线性扫频光源发出光信号，经光纤耦合器分成两束：一束进入待测光纤，产生散射光。其中满足光纤数值孔径的后向散射光返回，称为信号光；另一束经固定反射镜返回，其光程是固定的，作为参考光。如果参考光和信号光满足光的相干条件，就会在光电探测器的光敏面上发生混频。对于光纤上某点处的后向散射信号，如果设定其对应的光电流频率为0，则其频率大小与散射点位置成正比。因此通过光电探测器输出的光电流频率就能确定所测光纤的位置，从而实现沿光纤温度场的空间分布式测量。

1.4系统性能分析

基于光散射的分布式光纤测温技术，在理论上可真正地实现分布式测量，即可得到沿光纤温度场的一维分布。但在实际应用中，受现实环境的影响和测量仪器的限制，其空间分辨率目前可达1 m^[17]。

光散射型分布式光纤测温系统的测量信号为后向散射光，其信号强度很弱，且随光纤长度的增加进一步减弱。通过MATLAB对斯托克斯光信号进行仿真，查阅资料得到光纤中产生第i个斯托克斯的功率为Pi=hcνinL，为了方便仿真，设定光纤中的速度cn为2.0×108 m/s，而h=6.63×10-34 J，仿真所得波形如图4所示。

2基于光复用技术的光纤光栅分布式测温技术

2.1光纤光栅测温原理

2.2分布式光纤光栅测温技术

光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating，FBG）传感器主要是通过光复用技术来实现分布式传感定位。用于分布式传感系统的常用光复用技术有波分复用（wavelength division multiplexing，WDM）、时分复用（time division multiplexing，TDM）和空分复用（spatial division multiplexing，SDM）。

光纤光栅的传感机理是波长调制，所以光纤FBG传感器最直接就是采用WDM，通过波长寻址，实现分布式测量^[19]。其基本原理如图6所示：宽带光源产生的光信号在光纤中传输，到达波长不同的FBG传感阵列，各FBG光栅反射回光信号的波长是不同的，通过 FBG波长对各个传感器寻址，实现WDM的分布式测温^[20]。

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时分复用（TDM）技术^[21]就是通过不同的时间间隔分离各路信号，也就是把时间分成均匀的间隔，将各路信号分配在不同的时间间隔内进行传输。基于TDM的分布式光纤测温的工作原理如图7所示：光源产生的脉冲光信号射入光纤中，到达距离不同的各个FBG光栅，反射回脉冲信号。各个FBG光栅位置不同，意味着反射信号到达解调系统的时间不同，通过信号光返回时间对各个传感器寻址，实现TDM的分布式测温^[22]。

基于空分复用（SDM）的分布式光纤测温的工作原理如图8所示：光源信号入射进FBG阵列，将FBG传感器的反射信号分解到不同光通道^[23]，各反射光信号分别通过各自的光通道到达解调系统。通过空间通道结构寻址各 FBG传感器，实现SDM的分布式测温。

2.3系统性能分析

相对于单个光纤光栅温度传感器，基于波分复用的分布式测温系统对信号强度影响较小，因此解调系统的设计相对简单，比较易于实现。但是，由于分布式测温系统采用波分复用技术，光源带宽和FBG对应波长幅宽的要求限制了系统的传感器复用容量，其系统的传感器数量一般不会超过30^[7]。同样，采用时分复用和空分复用的分布式测温系统也存在种种限制和缺陷。目前，基于光复用的分布式测温系统广泛应用于土木工程，石油^[24]和电力监测等大范围测温领域，但却难以满足现实需要，仍需进行大力改进。

3结论

分布式光纤测温作为一种优势明显的新型传感测温技术，尽管目前发展还不够成熟，仍存在许多问题，但是其优越性和发展潜力却是显而易见的。不但在高、精、尖领域得到应用，而且在传统的工业领域被迅速推广。因此，仍需进一步的研究，改进现有技术方法^[25]，研究新的传感理论。可以预见随着制作技术的日益成熟和器件性能的不断提高，光纤测温系统必将在土木工程、水利电力等各个领域得到更广泛的应用。

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分布式光纤振动技术 第3篇

1 光纤传感技术的优点

1.1 适用范围广

光纤传感器是通过光纤和光光波波进进行行信号传输的,而光波天然的优势就就是是受受电电场和磁场干扰小,同时光纤又有很很强强的的耐耐腐蚀及电绝缘特性,所以相比较于于传传统统的的传感器,光纤传感器更适用于一些些条条件件更更加恶劣的情况。同时也由于光波抗抗干干扰扰能能 力强,所以光纤传感器可以用于很很多多物物理理信息(如电磁)的传感[2]。

1.2 灵敏度高

同样是由于光波的自身特点点决决定定的的, , 干涉技术的使用使得输出光的相相位位变变化化明显,这样就大大提高了光纤传感感器器的的灵灵敏度。

1.3 体积小、重量轻、可环绕

由于这个优点的存在,可以在在狭狭小小的的空间内通过对光纤形状的改变而而适适用用,,可可以在有限的可利用空间得到最大大的的利利用用 率。

1.4 对被测介质影响小

基于这一特点,可以将光纤传传感感器器应应用于先进的生物和医药领域。

1.5 成本低廉

相对于传统传感器,光纤传感感器器具具有有价格低廉的优势,所以可以在成本本控控制制上上起到良好的作用。

2 光纤传感技术

2.1 基于 OTDR 的分布式光纤纤传传感感器 器

OTDR技术就是光时域反射技术,该技术利用的是光纤的后向散射光收集光纤信息,从而进行分布式检测。这里的散射形式主要有三种,瑞利散射、布里渊散射和拉满散射[3]。

2.1.1 布 里 渊 光 时 域 反 射射 技技 术 术 (BOTDR)

布里渊散射分为两种情况,分别是受激布里渊散射和自发布里渊散射,其本质就是能量的交换中有声学声子的参与。其中光功率和布里渊频移受温度和应力影响的公式为

通过以上两个公式的计算方方式式我我们们可以知道,只要检测布里渊频移和光功率,就能反向计算得出外部应变和温度分布。

而相干布里渊光时域反射技术的基础工作原理是 :光源分别发出两个部分的光波,一部分进入传感光纤,剩下的部分构成本振光,通过光线中后向散射光与本振光进行相干检测,通过上面的两个公式进行计算,得出散射点位置[4]。

2.1.2 拉曼光时域反射技术(ROTDR)

与布里渊光时域反射技术不同的是拉曼光时域反射技术属于非弹性散射,但是同样的也分为自发散射和受激散射。同样的对于拉曼光时域反射技术有一个计算公式 :

在拉曼散射系统的散射光信号非常微弱,仅有入射光的千万分之一,所以在使用拉曼光时域反射技术的时候一定要加强光源的功率,另外此技术仅限于温度检测[5]。

2.1.3 瑞利散射光时域反射技术

瑞利散射是弹性散射,在光纤中的三种后向散射里,瑞利散射的光强度最大, 所以基于瑞利散射技术的传感器可以对数量众多的物理量进行检测,其中包括温度、电磁场、加速度、应力等等。由于瑞利散射在光纤中接受的调制不同,所以可以分为三种,但目前主要应用的有两种,所以笔者对其中两种进行一下阐述。

2.1.3.1 相位调制光时域反射技术

该技术由泰勒在1993年提出,在当时来说是非常先进、非常灵敏的技术。主要计算公式为 :

在入射光方面的要求是强相干光。

该技术的基本原理是 :由于应力导致线路改变时会影响到光纤折射率,这时相位的改变只能通过后向散射和本振光干涉检测,所以采用频率漂移速度小的激光器。

2.1.3.2 偏振态调制光时域反射技术

由于该技术提出较早,并且在这些年经过大量人员的研究,技术已经相当成熟了,所以这里不进行过多的介绍,在后面再进行详细描绘。

3PCOTDR 理论模型和特性

3.1 直接检测

直接检测技术是在接收光信号后直接把光信号转换成电信号进行检测的技术。优点就是结构简单、成本低廉, 但缺点也很明显,就是接收灵敏度无法保证。在接收后通过以下几个公式可以计 算出相应 的数据 :f(t,r)=real{a(t,r) ejwt},r∈Ara(t,r)=s(t,r)+b(t,r)

3.2 相干检测

因为直接检测对光波信号的利用率太低,不能最大程度的发挥光波的作用, 所以采用相干检测法的趋势越来越明显, 但是对于传统直接检测方法来说,相干检测法要求也相对较高。

3.2.1 基本原理

通过被检测信号与本振光在探测器上光学混频,输出信号为差频电信号,同时比较两个信号是否有相等的频率,以判断是否存在问题。

在相干检测之后的计算部分通过以下几个公式完成 :

3.2.1.1 零差检测

本振光频率和信号光频率相同,也就是ws=wt,这时成为零差检测。此时输出的相干电流是 :

当Фs=Фt时,I(t)=Sasat。同直接检测比较,信号功率大,灵敏度自然也就提高了。

3.2.1.2 外差检测

外差检测虽然信噪比降低了,但是由于不需要锁定相位,所以在设计上简单了许多。

3.2.2 相干检测特性

3.2.2.1 微弱信号的探测

相干检测非常适合微弱信号的检测, 通过以下几个公式就可以看出 :

3.2.2.2 可测最小功率

可测最小功率就是相干检测的灵敏度,这是个理论值,由以下公式可表示 :

NEP=hwt△ f/Ч

虽然实际操作不可能达到理论值,但是相干检测法一样可以检测非常微弱的信号光。

3.2.3 影响系统性能的因素

由于干涉的本质决定了两路光必须有相同的振动分量、传播方向以及频率, 那么以下分析情况笔者就假定是在相同传播方向下发生的。

3.2.3.1 相位差对灵敏度的影响

事实上,相位差由于光功率变化的影响非常敏感,而高灵敏度会造成噪声,所以在测量其他数据的时候,必须考虑固定相位差的问题。

3.2.3.2 偏振态对灵敏度的影响

因为激光具有高相干性的特点,所以经常会由于这一问题导致无法发现偏振态影响灵敏度的情况发生。这时便没有办法了解信号灵敏度。

3.2.3.3 频率对灵敏度的影响

由于相干检测对光源的单色性以及频率稳定程度要求较高,所以频率会较大影响干涉光的功率。

4 基于相干检测的分布式光纤正统传 感器的系统方案

4.1 方案设计

方案设计图如下(图1):

图1 :分布式相干检测光纤传感系统

根据原理图可以看出整个检测系统的工作流程,在元器件的选择上一定要反复计算,从而选择规格合适的器件,否则实验过程会出现偏差。

4.2 系统要求

4.2.1 光源最小功率

由于检测系统的要求在前面已经提到过,这里就不再描述了,总结前面的计算可知,光源的最小功率大概是 -13dBm。

4.2.2 最小采样率

由于要求分辨率目标小于10m,所以根据计算可以知道采样率要大于40MHz。

4.2.3 最大脉冲宽度

通过平衡计算,可知最大脉宽应小于等于100ns。

4.3 软件系统

在软件系统上选择的语言是C++, 平台的选择使用MS VS,这样可以减少大量代码的输入,节省时间。用C++ 编写的程序既可以在UNIX系统上运行,稍加改动就可以在windows平台上运行,十分方便, 如果没有UNIX系统也可以使用PC机安装Linux系统,这样可以最大程度模拟UNIX系统运行,稳定性更好。笔者采用的就是Linux系统下编写及运行。

5 相干检测实际操作结果

首先搭建测试平台,尽可能保持测试平台符合实际操作的环境。

搭建好平台后,将屋子的窗户全部关闭,避免因为外来光源造成的影响(因为模拟环境无法达到真实应用环境要求)。然后使用大规模测试取平均值的方式, 采用1000次以上的测试次数,观察光功率的变化情况。通过对比实验数据,发现问题,由于光纤制造规格的问题,可能会出现这类问题,那么通过平均数计算就可以减少这类影响造成的误差。通过多次实验之后,有效的解决了以上步骤出现的问题。

对于测振系统的实验研究过程中出现的问题,我们可以理解为低端模拟和高端产品之间存在的差距,但是在定位结果上还是比较让人满意的,所以本方案的推广价值还是有的。

对于本次实验系统存在的问题,可以通过以下几个方面的改进而减少误差 :

5.1 提高信噪比

理论上,偏振态变化敏感,易受外界干扰,同时在实验室环境不够完善的情况下,外界影响无法降到最低,所以在实际应用的时候可以通过设计解决这一问题, 故此问题并不严重。

5.2 多点定位

通过多点配合计算可以得出更加准确的结果,所以在实际应用的时候可以有更好的表现,但由于实验环境的不足,暂时无法在实验室解决这一问题。

通过以上总结,笔者认为,技术虽然还不够成熟,但是已经可以应用。

6 总结

综上所述,基于相干检测的分布式光纤振动传感器具有灵敏度高、反应速度快以及误差小等优点,在应用上可以更加广泛。目前来看,PCOTDR测振系统还不够成熟,虽然本文中对这一技术进行了粗略的阐述,希望对PCOTDR的发展有所帮助,在未来发展的道路上可以有更成熟的技术方案和应用范围。

摘要：分布式光纤振动传感器是有着诸多优点的新型传感器,具有适应范围广、灵敏度高、测速快以及安全耐用的特点,是最近几年技术关注的热点。本文结合相干检测和OTDR单端测量,通过实验实现快速的检测以及定位远距离微弱振动,并探讨相关的偏振态调制相干检测,验证其可行性。

分布式光纤振动技术 第4篇

随着社会的发展与进步, 安全监测与防范问题越来越受到人们的重视。近年来, 各种恐怖活动层出不穷, 各种入侵手段也日益升级, 因此社会对性价比高、稳定可靠的新一代周界安防系统有着迫切的需求。传统的安防监控系统主要是视频监控系统及保安人员定期巡检, 由于摄像机照射范围的局限性及人力巡检的固有缺点, 企业迫切需要一种更加智能化的安防监控系统。这种系统要求实现智能在线监测, 实现对人员非法入侵的报警和监视。杜绝人员通过非正规渠道进入工作区域, 全方位保护站场, 不留死角。

系统设计在区域四周安装探测光缆, 通过敷设传感光缆, 实时感应周围压力、振动等情况, 对人员非法入侵进行报警, 并能与视频监控系统及声光报警器联动, 在有入侵时自动触发声光报警器。随后系统主监控界面实时调取临近摄像头视频监控信息, 自动切换到报警画面, 图形化显示现场情况, 供管理人员进行现场画面的查看, 进一步确认现场实际入侵情况。

2 分布式光纤振动探测系统研究

光纤振动探测系统是一款基于OTDR原理的分布式光纤振动探测系统, 通过光时域反射技术做到精确定位, 结合后端数据分析处理模块, 实现对振动声音的有效监测。具有智能模式识别, 有效降低误报, 具有TPI事件识别, 可以识别人工挖掘、人工活动、大型机械挖掘、大型机械或车辆的运动、断纤等事件。

光脉冲在光纤中传播时, 由于瑞利散射而发生能量损耗, 通过监测后向散射光强度, 就可以获得散射系数或衰减程度沿光纤分布的状况。

OTDR (光时域反射计) 是测量光纤传输链路特性的仪器, 依据测量信号的不同, 可分为利用后向瑞利散射的传感技术, 利用拉曼效应的传感技术和利用布里渊效应的传感技术。其中基于拉曼散射的分布式温度传感技术是分布式光纤传感技术中最为成熟的一项技术。而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、应变测量上所能达到的测量精度、测量范围以及空间分辨率均高于其它传感技术, 因此这种技术在目前得到了广泛的关注与研究。OTDR原理如下图所示:

OTDR本身具有分布式测量的特点, 但用于分布式传感时, 灵敏度却很低。在OTDR基础上发展了基于相位的光时域反射C-OTDR技术、基于布里渊散射的B-OTDR技术等。其中基于布里渊散B-OTDR技术的测量精度、测量范围以及空间分辨率均高于其它传感技术, 但是使用该技术时, 数据处理非常复杂。基于C-OTDR的分布式光纤传感系统不仅具有抗电磁干扰、抗腐蚀、灵敏度高等特点, 而且具有隐蔽性好、报警定位精确、数据处理电路相对简单等优点, 适合于对大范围、长距离进行实时监测。

分布式光纤振动探测系统基于C-OTDR传感原理, 采用超窄脉冲光作为种子源, 注入光纤中的光是高度相干的, 输出为脉冲宽度区域内反射回来的瑞利散射光相干干涉的结果。系统采集光纤中的后向瑞利散射光。当光纤链路中有扰动发生时, 系统所采集的后向瑞利散射光的折射率发生改变, 导致在该位置处光相位发生变化, 从而导致散射光光强的变化。系统通过实时检测光强, 将前后两个信号光强进行对比。当光强有变化时, 通过计算强度发生变化的反射时间来判断发生变化的扰动位置。根据入射信号与其返回信号的时间差, 利用布里渊散射的分布式光纤传感器模型公式就可计算出上述事件点与C-OTDR的距离:

式中c为光在真空中的速度, n为光纤纤芯的有效折射率, T为发出的脉冲光与接收到的散射光的时间间隔。如下图所示:

分布式光纤振动探测系统分布式光纤振动传感器可以在光纤链路中精准定位发生扰动 (扰动主要来自声音和振动) 的地点, 从而定位入侵者。

3 应用研究

本文涉及的周界安防, 主要需求是保护一段防线不受入侵破坏。该系统同时可以与已有的视频监测系统进行联动。当发生报警时, 系统主监控界面实时调取临近摄像头视频监控信息, 自动切换到报警画面, 图形化显示现场情况, 供管理人员进行现场画面的查看, 进一步确认现场实际入侵情况。

3.1 系统方案图

探测光缆可采取环回布置, 主机采用如下接线方式。

采用光纤入侵预警监测系统对边防线区域入侵情况进行监测, 系统采用光纤振动传感技术, 通过无源的光纤传感器实现长距离入侵监测、无人值守等功能。采用的光纤入侵预警监测系统单台主机探测距离可达40km, 将探测光缆敷设在边防线铁丝围网内侧 (或采用地埋施工方式敷设) , 利用多台主机共同监测可使边防线区域形成一个封闭的保护区域, 防止非法进入保护区域。

3.2 分布式光纤周界安防系统系统接入

分布式光纤周界安防系统获取信息有三个流程: (1) 事件发生:由探测光缆感知事件的发生; (2) 信息获取:监控主机获取事件详情; (3) 信息输送:监控主机通过自带网络接口传输信息并报警。

分布式光纤侦测系统主机具备多种通信接口, 可以将监测数据、报警信息等接入多个系统或报警设备中。本系统中通过RJ45以太网口将监测数据、报警数据集成至上位软件平台。一旦发生报警, 上位软件平台界面上将弹出报警画面, 精确定位报警位置, 供管理人员采取措施。

3.3 周界安防系统与视频、声光报警器的联动

周界安防系统是由前端信息采集、中间信息传输、监控中心信息处理以及视频、声光联动等组成, 具有威慑、阻挡、预警、报警四重功能。当入侵行为触发报警时, 系统立即联动相应区域声光警报设备, 发出声光, 对入侵者进行恐吓, 并立即联动相应区域摄像机预置位, 通过视频调出的视频图像, 值班人员可迅速直观地看到现场的实际情况。与此同时, 监控中心报警系统会发送音频信号至值班人员, 提醒复核和处理, 且系统能自动记录警情及自动转发报警, 为警情核实及警后处理提供切实可靠的数据资料。

摘要：本文主要阐述分布式光纤安全监测技术的研究与设计。

分布式光纤振动技术 第5篇

现代通信技术中早已离不开光导纤维, 便捷快速的网络世界依然离不开光纤的应用和发展。但是除了通信以外, 光纤另一方面的研究也非常重要, 那就是光纤传感。

光纤传感器有着体积小、抗干扰、易嵌入、价格低等特点, 使得相对于传统的电类传感器有着明显的优势, 同时又在实际的工程中有着非常好的应用前景。比如, 在一些强风、超低温、强磁场的条件下, 传统的传感器可能存在无法使用, 但光纤传感器的特性使它受到的影响非常小, 依然可以保持稳定的工作。同样, 对于建筑中各类基坑的监测, 光纤传感器也是绝佳的选择。因为光纤的易嵌入性和轻巧型, 可方便地分布在其基坑的建筑结构中, 保持其结构特性且不受影响。

分布式光纤传感的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。布里渊光时域反射技术 (Brillouin Optical Timedomain Reflectometry, BOTDR) 是最简单的一种形式, 其空间分辨率、测量精度等不如更为复杂的布里渊传感技术, 但是它拥有更简单的系统结构和单端测量的优势, 且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。

2 基于布里渊散射的分布式光纤传感分类

基于布里渊散射的分布式传感技术可分为两大类:基于受激布里渊散射 (Stimulated Brillouin Scattering, SBS) 的技术和基于自发布里渊散射的技术 (Spontaneous Brillouin Scattering, SPBS) 。基于分析技术的传感器或传感系统一般有较好的性能, 因为基于SBS的系统有较高的信噪比 (Signalto-Noise Ratio, SNR) , 从而使其信号探测和信号处理较为简单, 但是分析技术一般需要从光纤两端同时探测;另一方面, 基于SPBS的反射技术信号较弱, 需要复杂的信号处理方法, 但是其优点是只需在光纤的一端探测, 并且在光纤断裂的时候仍可测量从探测端到断点之间的光纤, 总体来说, 相比于反射技术, 分析技术的研究工作获得了更多的关注。如果从布里渊分布式传感技术的发展历史看, 分析技术在引领潮流而反射技术一直在跟随分析技术的发展。换言之, 在分析技术中已被验证的技术或方法往往被尝试采样到反射技术中。

2.1 布里渊光时域反射技术 (BOTDR)

BOTDR是利用探测SPBS来实现传感的布里渊分布传感技术, 也是文中将要研究的重点内容。其基本原理见图1。通过在光纤一端注入频率为f的脉冲光, 可以获得中心频率为f-fB的背向SPBS信号, 其中fB为布里渊频移 (Brillouin Frequency Shift, BFS) 。对这一微弱的信号进行探测和信号处理后, 即可通过SPBS的频移或强度等参量实现对温度或应变的分布式传感。

现有BOTDR中, 采用相干自外差的探测方式是最普遍的, 因为这一方式不仅可以极大地提高信号的强度, 还可把光信号方便地转移到较低的中频频率上进行信号处理。

传统的BOTDR系统空间分辨率受制于声子寿命 (~10 ns) , 一般不低于1 m[1]。目前已经报道的空间分辨率小于1 m的BOTDR系统很少, 一种方法是采用“双脉冲”相干的方法, 得到了20 cm的空间分辨率。在传感距离的提升方面, 可以采用Raman放大的方案, 已经在50 m的空间分辨率下实现150 km的传感距离[2]。编码的方法也被引入到BOTDR系统中, 有效地提高了系统的SNR。

2.2 布里渊光时域分析技术 (BOTDA)

BOTDA是基于SBS的布里渊光时域分析技术。其基本原理见图2。在光纤的一端注入频率为f的脉冲光, 在另一端注入频率在f±fB附近的连续光。在脉冲到达的位置处, 脉冲和连续光会产生SBS, 从而使得连续光在该位置处获得增益或衰减, 不同位置处连续光的功率变化在时域上被探测到。连续光频率在f±fB附近变化, 即可获得整条光纤沿线的布里渊增益谱, 通过对增益谱中心频率的测定, 即可实现分布式的温度或应变传感。

BOTDA可以分为增益型和损耗型。增益型BOTDA测试的是连续光的布里渊增益谱, 频率为f的脉冲作为泵浦, 频率为f-fB的连续光作为斯托克斯光, 即光功率从脉冲向连续光转移, 在这种方式下脉冲功率会逐渐耗尽。损耗型BOTDA测试的是连续光的布里渊损耗谱, 频率为f的脉冲作为斯托克斯光, 频率为f+fB的连续光作为泵浦, 即光功率从连续光向脉冲转移, 这种方式下脉冲的功率逐渐增强, 即相比于增益型BOTDA, 可以获得更长的传感距离。因此, 目前损耗型的BOTDA是最常见的方案。

BOTDA系统同样受到声子寿命的限制, 即空间分辨率一般不低于1 m。但是与BOTDR不同的是, 研究者已经在BOTDA中开发出了大量可以提升其性能的方法, 其中很多方法已经为人所熟知。例如, 采用精细的信号处理方法对频谱进行分析可以得到25 cm的空间分辨率, 使用50/49 ns的脉冲差分可以获得0.18 m的空间分辨率。另外, 采用预泵浦脉冲的方法可以达到10 cm的空间分辨率, 采用暗脉冲的方法可以达到2 cm的空间分辨率。

2.3 布里渊光相干域分析技术 (BOCDA)

BOCDA是基于光学相干的布里渊分布式传感技术, 应用了光学相干函数合成 (Synthesis of Optical Coherence Function, SOCF) 的原理。其系统与基于时域的传感技术相比较为繁杂。主要特性是空间分辨率普遍偏高, 还有其测量的速度, 以及较短的传感距离, 可应用于小型结构或智能材料中的应力分析或温度测量[3]。该技术的基本原理见第78页图3。光纤两端分别注入中心频率为f的泵浦光和中心频率为f-fB的探测光, 一般以频率fm的正弦波对两束光进行相同的频率调制。依据SOCF的原理, 在光纤中会出现周期性的相干峰, 即在相干处有较强的SBS效应, 而在非相干处SBS效率最低。若调整参数使得光纤中只留一个相干峰, 则实现了对某一点的传感。通过调整调制频率fm, 可以改变相干峰的位置, 即实现对整条光纤的传感。由于采用了连续光, 空间分辨率不再受到声子寿命的限制。

同样有若干方法来提升BOCDA系统的性能。例如, 通过强度调制可以提升系统的SNR;通过时间窗的方法延长了传感距离, 在1 km光纤上实现了7 cm的空间分辨率;通过使用单边带的调制器和双锁模放大器, 实现了1.6 mm的极限分辨率;通过使用非平衡Mach-Zehnder延迟线实现了1 k Hz的采样率。

2.4 布里渊光相干域反射技术 (BOCDR)

BOCDR原理与BOCDA类似, 是基于SPBS的反射技术, 原理见图4。依据SOCF原理, SPBS信号和参考光的外差探测给出部分相干的结果, 即选出了相干峰处的布里渊散射信号。在这一系统中, 实现了13 mm的空间分辨率以及19 Hz的采样速率。通过加时间窗的方法, 在1 km光纤上达到了66 cm的空间分辨率和50 Hz的采样率;通过双调制的方法, 在1.5 km光纤上实现了27 cm的空间分辨率。可以看到基于SPBS的系统性能逊于基于SBS的系统[4]。

2.5 布里渊光频域分析技术 (BOFDA)

BOFDA从频域的角度实现分布式传感, 其基本原理见图5。为了得到布里渊散射的分布式信号, 只需得到信号的频率响应, 即可通过逆傅里叶变换获得时域信号。这种方法中同样采用了连续光, 故空间分辨率不会受到声子寿命 (~10 ns) 的限制[5]。对在光纤一端注入的泵浦光使用正弦信号进行强度调制, 调制频率fm, 另一端注入直流的探测光, 频率在f-fB附近。通过在整条光纤上的SBS过程, 直流探测光获得了与泵浦光相同的调制频率。通过改变调制频率fm和对矢量分析仪的分析, 即可由探测光获得整条光纤的频响。在信号处理端采用反傅里叶变换 (IFFT) 即可恢复出时域信息。BOFDA可以达到cm量级的空间分辨率, 但是只能有数百米的测量距离。

3 结束语

通过以上的简单介绍, 可以看到这5种不同的布里渊分布式传感技术, 都是基于SPBS的反射技术性能一般逊于基于SBS的分析技术。这是因为SPBS信号比较弱, 增加了精细测量的难度。但从基于SBS的分析技术从应用角度看, 系统结构复杂, 成本较高, 光纤出现断裂就会导致传感系统无法工作。而基于SPBS的反射技术以其系统结构简单、可实现单端测量的优势, 在实际工程应用中更受青睐。

参考文献

[1]ZOU L, BAO X, AFSHAR S V, et al.Dependence of the Brillouin frequency shift on strain and temperature in a photonic crystal fiber[J].Opt.Lett, 2004 (29) :1485-1487.

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分布式光纤应力检测技术的性能分析 第6篇

光纤通信具有容量大、传输速度快、不易受电磁干扰等优点, 但是光纤很脆弱, 外部的应力容易引起光缆变形, 甚至使光纤断裂, 造成通信中断。尤其对于海底光缆来说, 其维修难度高, 维修周期长, 成本高。因此为光缆建立应力检测系统, 对于实时监控光缆受力情况, 及时排除险情, 具有重要意义。当前, 实现沿光缆长度分布式光纤应力检测的技术主要有布里渊光时域反射 (BOTDR) 、布里渊光时域分析 (BOTDA) 、干涉型、光纤光栅型等。下面主要分析应变点位置对BOTDR、BOTDA、光纤光栅型检测系统信噪比的影响, 以及干涉仪阵列间隔对干涉型检测系统信噪比的影响。

1 BOTDR光纤应力检测技术

BOTDR光纤应力检测技术主要是通过测量背向散射光的布里渊频移来确定应力的大小, 通过测量布里渊散射光的回波时间来确定散射点 (受力点) 的位置。布里渊散射是泵浦光在光纤中发生的一种非线性效应, 其产生的背向布里渊散射光 (斯托克斯光) 相对于泵浦光有一布里渊频移。布里渊频移主要由入射光频率、纤芯折射率、光纤中的声速等决定。当光纤所受的应力发生变化时, 纤芯折射率和声速会发生相应的变化, 从而导致布里渊频移的改变。理论和实验证明布里渊散射信号的布里渊频移与光纤所承受的应力在一定条件下呈线性关系[1]。因此可通过检测布里渊频移来检测应力。

BOTDR光纤应力检测原理如图1所示, 由激光光源发出的光通过电光调制器 (EOM) 调制成脉冲光入射到光纤中, 脉冲光在光纤受力点产生的背向布里渊散射光由光电探测器接收并转换为电信号, 再进行布里渊频移的测量。

BOTDR中光电探测器接收的信号是自发布里渊散射光, 假设泵浦光在z=0处向+z方向传播, 在z=z处光纤受力发生应变, 如在z=0处用APD (雪崩光电二极管) 接收, 则背向布里渊散射光作为信号光可表示为[2]:

undefined

式中αp为光纤损耗系数, αb为布里渊散射损耗系数, Pp (0) 为入射脉冲光功率, c为真空中的光速, w为脉冲宽度, n为折射率, S为后向散射捕获率, S= (λ/n) 2/ (4πA) , A为光纤的有效截面积。则APD的输出光电流为:

Is=η (e/hf) Ps (z) (2)

式中η为APD的量子效率, e为单位电子电荷, h为普朗克常量, f为泵浦光频率。

对布里渊散射来说, 必须采用谱宽远小于布里渊增益谱宽的光源, 否则会降低布里渊增益峰值, 因此对于BOTDR系统, 可以不用考虑光源强度噪声的影响[3]。接收机中的噪声主要包括散粒噪声和热噪声。

对于脉冲信号, 散粒噪声可表示为:σundefined=2M2FAe (Is+Id) B, σundefined=2M2FAeIdB;其中M为APD倍增系数, FA为APD的过剩噪声因子, B为接收机带宽, Id为暗电流。热噪声可表示为:σundefined=〈i2t〉B, 而undefined为等效热噪声电流。信噪比可表示为:

undefined

图2为L=100 km时, 沿光纤分布的信噪比, 其中Pp (0) =10 mV, λ=1.55 μm, αb=0.005 4 dB/km, αp=0.2 dB/km, w=0.1 μs, M=20, FA=12.78, B=1 MHz, undefined。由图2可知信噪比与应变点位置呈线性递减关系, 距离越长, 信噪比越小;自发布里渊散射信号极其微弱, 当L>60 km时, 信噪比将低于接收机的极限 (-55 dB) , 信号将完全被噪声淹没。因此BOTDR适用于较短距离的应力检测。通过适当增大入射光功率, 在系统中加入放大器, 在接收端用相干解调等方法可增加检测距离。

2 BOTDA光纤应力检测技术

由于自发布里渊散射的信号十分微弱, 对信号检测技术要求很高, 因此Horiguchi等人提出了利用受激布里渊散射的BOTDA技术, 采用在光纤的两端分别输入连续光和脉冲光, 调节两束光的频差, 直到布里渊散射增益最高, 这时对应的频差就是包含了应力等信息的布里渊频移, 从而达到应力检测的目的。为了避免在传输较长距离时出现连续光耗尽, 测量范围受限的现象, 一般采取连续光能量不断增强的布里渊耗散型系统。其工作原理框图如图3所示。脉冲光在z=0处向+z方向传播, 连续光在z=L处 (L为光缆长度) 向-z方向传播, 脉冲光频率为ν, 连续光频率为ν+νB, 接收端位于z=L处, 连续光与脉冲光在z=z处发生受激布里渊散射, 连续光能量向脉冲光转移, 使脉冲光得到放大。

由于布里渊频移较小, 假设脉冲光和连续光在光纤中有相同的损耗和传播速度, 即αp=αcw=α, 且νp=νcw=ν, 在z点处的脉冲光功率可表示为[4]:

Pp (z) =Pp (0) exp (-αz) + (ν/2) (g/A) Pcw (z) Ep (z) (4)

式中Pp (0) 为输入脉冲光功率, Ep (z) 为z处的脉冲光能量, Pcw (z) 为z处的连续光功率, g为布里渊增益系数, A为光纤有效截面积。

将Ep (z) =Ep (0) exp (-αz) exp{gPcw (L) ·exp (-αL) [exp (αz) -1]/αA}, Ep (0) =wPp (0) , Pcw (z) =Pcw (L) exp[-α (L-z) ]代入式 (4) , 则在接收端z=L处接收到的光功率为:

Pd (z) =Pp (z) exp[-α (L-z) ]

=Pp (0) exp (-αL) + (wν/2) (g/A) Pcw (L) Pp (0) exp (-αL) exp[-α (L-z) ]exp{gPcw (L) exp (-αL) [exp (αz) -1]/αA} (5)

式 (5) 第二项为被布里渊散射放大的功率, 是接收功率的变化量, 设其为信号功率Ps (z) , 则

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光电探测器的输出光电流I1=η (e/hf) Pd (z) , 其中信号光电流Is=η (e/hf) Ps (z) 。

光电探测器的噪声包括散粒噪声、光源相对强度噪声、热噪声。若仍采用APD检测, 则光源相对强度噪声和热噪声分别为σundefined=RINIundefinedM2B, σundefined=〈i2t〉B;散粒噪声可表示为σundefined=2M2FAe (I1+Id) B, σundefined=2M2FAeIdB;其中RIN为相对强度噪声系数。则系统的信噪比undefined。

L分别为80 km、100 km、120 km时, 光纤不同位置的信噪比如图4所示, 其中λ=1.55 μm, Pcw (L) =10 mW, Pp (0) =1 mW, FA=12.78, B=1 MHz, η=75%, A=65 μm2, Id=20 nA, α=0.2 dB/km, undefined可以看出, 当L较大时, 光纤相同位置的信噪比较小, 这是因为L较大时, 光信号衰减较大;当检测点z较小时, 信噪比较小, 这是由于z较小时连续光较弱, 布里渊放大作用不明显。随着距离的增大, 连续光功率逐渐增大, 有更多的能量转移到脉冲光, 使信号功率增大较快, 比较适合长距离应力检测。

3 干涉型光纤应力检测技术

两束相干光叠加时会产生干涉, 如果其中一束光由于外界因素的影响而发生相位变化, 其干涉条纹将随之移动。干涉型光纤应力检测技术的原理是:当光纤发生应变时, 光纤的长度、芯径以及纤芯折射率都将发生变化, 这些变化会导致光纤中传输的光的相位发生变化, 通过干涉仪将光相位变化转化为光强的变化, 从而检测出应力的变化。

图5是一个用于分布式应力检测的Michelson干涉仪阵列, 光源输出的单色光通过定向耦合器CN～C1分别送至1～N+1个Michelson干涉仪, 图中FC1～FCN+1均为3 dB光纤耦合器。测得应力信息后再反射通过耦合器传送至光电探测器中, 转化为电信号, 可得到应变信息, 通过测量信号返回的时间可得应力位置信息。

为了使每个Michelson干涉仪返回相同的光功率, 定向耦合器CN～C1的耦合率不同。第K个干涉仪对应定向耦合器CN-K+1, 设通过定向耦合器CN-K+1后有1/XN-K+1的光功率进入3 dB耦合器FCK, 其余光功率进入下一个定向耦合器CN-K。由每个Michelson干涉仪返回相同的光功率可得:

(1/XN-K+1) PN-K+1= (1/XN-K) [ (XN-K+1-1) /XN-K+1]PN-K+1exp (-2αd) (7)

式中d为两个定向耦合器的间距, α为光纤衰减系数, PN-K+1为第N-K+1个定向耦合器的入射功率。可求得通项为:

Xn= (1/an-1) X1+ (1-an-1) /[ (1-a) an-2]

2≤n≤N (8)

式中a=exp (-2αd) 。如图5所示, 进入最后两个干涉仪的光功率应相同, 即将X1=2代入上式可得:Xn=2 (1/an-1) + (1-an-1) /[ (1-a) an-2]。

由光功率为P1、P2, 相位差为ΔΦ的双光束干涉光功率计算公式为:

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对于干涉仪1, 由FC1为3 dB光纤耦合器, 则P1=P2=P0/ (2XN) , P0为输入功率。代入式 (9) , 并考虑干涉仪光纤损耗, 可得返回功率为:

Pd= (1+cos ΔΦ) (P0/XN) exp (-2αl) (10)

式中ΔΦ为由应力引起的干涉仪两臂中传输光的相位差, l为干涉仪臂长。信号功率为:

Ps= (P0/XN) exp (-2αl) cos ΔΦ (11)

则光电探测器输出光电流I1=η (e/hf) Pd, 其中由信号产生的光电流Is=η (e/hf) Ps。光源相对强度噪声和热噪声可表示为σundefined=RIN (I1M) 2B, σundefined=〈i2t〉B;散粒噪声可表示为σundefined=2M2FAe (I1+Id) B, σundefined=2M2FAeIdB。则系统信噪比undefined。

图6为不同干涉仪间距d时系统的信噪比, 其中P0=10 mW, l=10 m。可见干涉仪间距d越小, 系统信噪比越小, 检测同样长度的光缆所需的干涉仪就越多, 成本就越高。增大干涉仪间距d, 可使系统信噪比增大, 但系统的空间分辨率降低, 系统误差增大。所以应综合考虑, 合理设置干涉仪数量。

4 光纤光栅应力检测技术

利用光纤的光敏特性, 在纤芯内形成空间相位光栅, 称为光纤布拉格光栅 (FBG) , 实质上是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜, 它能对满足布拉格波长的入射光产生反射。布拉格波长可表示为λB=2neffΛ[5], 其中neff为光纤有效折射率, Λ为光栅周期。即布拉格波长随neff和Λ的变化而变化。

在光纤受应力时, 光栅周期的伸缩及弹光效应将引起布拉格波长的改变 , 研究证明在温度不变时布拉格波长位移与纵向应变呈线性关系[5]。因此FBG可用于光纤的应力检测。

FBG应力检测的原理图如图7所示, 为实现分布式检测, 系统由N个间距相等的FBG组成。由激光器发出的宽谱光从z=0处进入光纤, FBG将符合布拉格波长的光反射, 反射光通过环行器进入光谱分析仪, 测出布拉格波长, 得到应力信息, 再根据光束传播时间可确定发生应力的位置信息。

设应力发生在z=z处, 则光谱分析仪接收到的信号光功率可表示为:

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式中r为FBG的反射率, P0为光纤的入射光功率, α为光纤衰减系数。

接收机中的光电流Is=η (e/hf) Ps (z) , 散粒噪声可表示为σundefined=2M2FAe (Is+Id) B, σundefined=2M2FAe·IdB;光源相对强度噪声和热噪声可表示为σundefined=RINI2sM2B;σundefined=〈iundefined〉B。 则系统的信噪比undefined。

图8为光纤不同位置的信噪比, 其中P0=10 mW, r=0.9, 可见FBG应力检测系统的信噪比较高, 主要是因为FBG的反射率较高, 信号较强。随着测量距离的增大, 信号衰减增大, 信噪比降低。FBG技术能实现较长距离的应力检测, 但是距离越远, 所需光栅数量越多, 系统越复杂。

5 结 论

经过上述的分析比较可知, BOTDR系统由于信号较弱, 信噪比较小, 适用于短距离应力检测系统, 其优点是只需在单端发射接收信号, 设备简单, 可实现连续分布式检测。BOTDA系统需要双端输入, 由于受激布里渊散射放大了信号, 信噪比较高, 适用于长距离检测, 能实现连续分布式检测, 但因其需要双端输入, 故不能测量断点, 设备较BOTDR复杂。干涉型系统的信噪比与干涉仪阵列数量有关, 干涉仪数量越多, 信噪比越大, 系统分辨率越高, 测量越准确, 但系统就更复杂, 成本越高, 优点是灵敏度较高, 适用于对精度要求较高的检测。FBG系统信号较强, 信噪比高, 适用于长距离检测。光栅数量越多, 分辨率越高, 测量精度越高, 但结构越复杂, 成本越高, 信号解调越复杂。干涉型和FBG系统均是准分布式系统, 不能实现连续监测, 只能靠增加干涉仪或光栅的数量来获得沿光纤分布的应力信息。

参考文献

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分布式光纤振动技术 第7篇

随着社会的进步, 科学技术得到了快速的发展, 使得各种渗漏监测技术不断涌现。传统的点式监测技术由于无法实现整体性覆盖, 在监测的过程中会出现很多盲区, 不利于工程的安全进程, 尤其是针对一些线路比较长、分布比较广的工程, 如油、气管道和堤坝工程, 一旦安全隐患增多, 将会出现严重后果。在这类工程中, 如果增加监测点, 会增加很多额外的成本, 同时施工难度也会加大。分布式光纤温度传感器的出现, 很好地解决了这个难题。利用分布式光纤温度传感器, 能够完全覆盖所要检测的对象。该传感器的传感部件和信号传输部件都属于功能性光纤, 成本较低。在实际的工程过程中, 分布式光纤传感器可以利用光时域技术对渗漏部分进行定位, 并能够实现实时监测, 而且, 该技术施工简单, 监测范围广, 监测距离长, 抗腐蚀、耐高温、抗高压、防雷击、抗电磁辐射能力都比较强, 在渗漏监测领域得到了广泛应用。

1分布式光纤温度传感器的工作原理

温度示踪原理是分布式光纤温度传感渗漏监测技术的基础。其基本工作原理是:渗漏的水流 (或者油、气) 在与土壤和地下光纤接触时, 会出现热传递, 在它们进行热量交换的过程中, 使得渗漏部位与非渗漏部位的温度产生差异, 尤其是渗漏水流 (或者油、气) 的流速越大, 渗漏部位的温度变化就越大。此时, 我们可以利用这种渗漏部位与非渗漏部位之间的温度差异实现渗漏监测, 即利用温度场反馈渗流场。这种检测方法的前提是渗漏水流 (或者油、气) 与土壤存在较大的温度差异, 如果温度差异不明显, 我们可以对光纤进行加热, 人为改变温度差异。这样一来, 我们就可以将检测方法进一步分为梯度法和加热法两种方法。

1.1梯度法

所谓梯度法, 就是直接利用渗漏水流 (或者油、气) 与土壤之间的温度差异进行渗漏监测。首先对土壤温度场分布情况进行测量, 然后对测量结果进行分析, 如果发现土壤局部范围内温度变化比较大, 可以利用光纤温度场进行分析, 进而确定发生渗漏的部位。想要确定渗漏流速, 就可以根据已有的温差和渗漏流速关系模型, 对监测的温度场进行深度分析, 从而确定渗漏的流速。利用梯度法进行渗漏监测时, 必须加深光纤的埋置深度, 否则光纤温度容易受到外界温度的影响, 对监测结果影响较大。此外, 渗漏水流 (或者油、气) 也要和土壤具有明显的温度梯度。因此, 梯度监测方法受到季节变化的影响比较大, 进而使得梯度监测法的使用范围受到了一定的限制。

1.2加热法

加热监测法, 顾名思义就是人为的对光纤进行加热, 从而使渗漏水流 (或者油、气) 与光纤产生一定的温度差异。利用加热法进行监测时, 需要在光纤周围并行设置特别的导体, 测量之前需要首先将导体通电, 提升光纤周围的温度, 然后再进行光纤温度场的测量。如果存在渗漏点, 该部位的温度会明显低于其他部位, 这样就可以很容易的确定渗漏部位。与梯度法类似, 我们也可以通过温度升高与渗漏流速的关系模型, 对渗漏流速的大小进行确定。由于季节的变化不会对加热法造成影响, 使得加热监测法比梯度监测法的应用范围更加广泛。

2国内研究现状

当前, 我国在分布式光纤温度传感渗漏监测技术方面的研究仍然处于定性监测阶段, 也就是说, 我们仅仅将其作为确定渗漏部位的一种技术手段, 而利用该技术实现渗漏的量化监测, 相关研究者仍在模拟和试验, 而且该研究在理论方面主要包含理论推导和有限元模拟等内容。因此, 对分布式光纤温度传感器技术仍需继续研究。

在理论分析方面, 肖衡林等以多孔介质传热理论基本假定为基础, 结合分布式光纤温度传感原理推导分析得出计算渗流流速的理论解, 该理论解描述了渗流流速与多孔介质导热系数、孔隙率和外加热功率等因素的关系, 目前该关系尚未得到验证;陈江等提出以多孔介质-热源-FBG的共轭传热数学模型理论为基础的热脉冲法, 采用ADINA进行数值模拟, 得出温升与渗流速度及加热功率的关系;陆艳梅等根据热传导方程及系统能量方程提出了大坝渗漏传热模型, 并根据边界条件及初始条件推导出拉氏空间下以Bessel函数表示的无量纲解析解, 同时结合工程实例验证了该模型的合理性;王新建等利用叠加原理推导出堤坝多渗漏通道温度场解析解, 并利用BURSA-WOLF模型转化坐标, 运用最优化方法迭代出堤坝集中渗漏通道位置的数值解, 结合工程实例确定了渗漏通道的位置, 证明了该方法的有效性;董海洲等利用热平衡理论及坝体周围土体温度变化与集中渗漏流速关系建立了数学物理模型, 在层流和紊流2种不同流态下探讨了渗流流速的确定方法, 并结合实例验证了其正确性。

3发展趋势

分布式光纤温度传感器优势明显, 例如成本低廉、耐高温、耐腐蚀、稳定性也较强, 因此其在渗漏监测领域的发展前景良好。但是我国对分布式光纤温度传感渗漏监测技术的研究仍然处于初级阶段, 还需要对其进行更加深入的研究。

3.1实现定量监测

当前我国还没有实现利用分布式光纤温度传感器对渗漏量进行定量监测, 只是在研究的过程中积累了部分实验数据和理论模型, 不过因为地下土壤成分复杂, 加上各种实验条件难以达成, 在该方面的研究成果尚不能统一, 仍需要进一步的研究确定。但是在我国《土石坝安全监测技术规范》中, 有关土石坝的渗漏量监测方面的规定, 对未来实现渗漏量的定量监测具有深刻意义。

3.2考虑施工控制因素

3.2.1压实度

压实度在实际工程中具有非常重要的作用, 例如, 在土石坝工程施工中, 工程施工质量的主要指标中就包含土体的压实程度, 并且在相关规范中对土壤的压实度也有明确规定。由此可见, 要想将研究成果顺利应用到实际中, 还需要对实际工程的施工内容进行深入分析。众多周知, 土壤的压实度与土壤渗透性关系密切, 在土壤相同的条件下, 土壤压实度与土壤渗透系数属于反比例关系。从现有的研究成果看来, 压实度对渗透性的影响还不够全面, 需要在后续的研究中进行重点分析。

3.2.2现场光纤网络布置方法

利用分布式光纤温度传感器进行渗漏监测的时候, 需要在监测范围内按照一定的原则进行光纤网络布置, 即光纤布置应该简洁、经济, 最主要的是做到对检测范围的全覆盖。对于正在建设的工程, 在布置光纤时, 难免影响施工进度, 而且施工和光纤布置同时进行也容易损坏光纤, 埋设的传感器成活率无法保证;对于线路比较长的工程, 比较适合选择加热监测法, 但是需要保证对加热电线的网络设计不会对施工安全造成影响;对于已经建设好的工程, 则应该注重布置光纤时的打孔尺寸, 避免尺寸过大影响工程的安全性能。可见, 在不同的工程中, 进行光纤布置时需要区别对待, 并做好经验积累。

3.3其他辅助监测手段

在工程监测方面, 还包含光纤光栅传感器、测压管等多种手段。当工程的检查项目比较多时, 应当充分考虑各种监测手段的优劣势, 取长补短, 将多种监测手段充分结合在一起, 确保监测结果更加准确、可靠。例如, 在土石坝工程中, 需要监测变形、渗流压力、孔隙水压力以及水位等多个指标, 我们就可以利用分布式光纤温度传感器对渗流进行定位和定量监测, 利用光纤光栅传感器和测压管对温度、应力和水压力进行监测。

4结束语

综上所述, 分布式光纤温度传感器以其覆盖面广泛、成本低廉、定位准确等优势, 被广泛应用到管道工程、土石坝工程以及堤坝工程等多种工程中, 但是对于该技术的研究仍然不够全面, 需要相关技术人员共同努力, 解决该技术尚不能达到的目标。

参考文献

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[2]周柏兵, 徐国龙, 赵新铭, 周勇.基于分布式光纤温度传感技术的渗流监测试验[J].水电能源科学, 2015 (10) :104-107.

[3]徐翔宇.基于分布式光纤温度传感技术的渗漏监测方法研究[D].湖北工业大学, 2012.

[4]邓翔文.基于分布式光纤温度传感技术的渗漏监测模型试验研究[D].湖北工业大学, 2011.

分布式光纤振动技术 第8篇

当前,光纤测温系统已广泛应用于电力、石化、隧道、建筑等领域,但较少用于IDC机房领域,主要原因在于原已成熟的光纤测温系统空间分辨率(一般≥2m)、温度精度(一般为±1～±3℃)、测量时间(一般10～20s)均较大,不适用于温度和距离测量精度要求较高的IDC机房。

在此文中我们探讨光纤测温技术在IDC机房机柜温度监测中的应用,在IDC机房所有机柜内仅敷设一根光纤,可实现对每个机柜指定的测量点进行实时精确的温度信息采集。

2 分市式光纤测温技术

光源发出的光脉冲在传输过程中与光纤分子相互作用,产生只与温度相关的自发拉曼(Raman)散射光,其中斯托克斯(Stokes)光对温度不敏感,而反斯托克斯(AntiStokes)光对温度敏感,两散射光被高灵敏度的探测器所探测;由它们的比值可以推知相应的温度信息,再通过光时域反射技术OTDR,确定温度信息对应的位置,从而得到沿整条光纤的温度分布。

反斯托克斯光和斯托克斯光强度之比:

则可以推导出温度值计算公式:

其中,λs和λas分别是斯托克斯光和反斯托克斯光波长,△v是石英光纤的拉曼偏移波数,h,c,k分别是普朗克常数、真空中的光速和玻尔兹曼常数,T是纤芯温度。

3 与传统电子传感器及感温电缆的比较

详见表1。

4 光纤测温系统在未来IDC机房中的地位和作用

分布式光纤测温系统由控制主机、光纤测温仪、显示器、键盘鼠标和测温光缆组成。其中控制主机、显示器、光纤测温仪、键盘鼠标均安装固定于待测机柜内部,机房温湿度监控系统具有开放的通讯接口,可以通过RS485、RJ45接口等与监控中心综合平台进行数据传输和集成。

分布式光纤测温系统是IDC机房环境监控系统的一个子系统。实测温度数据传输层主要指将现场采集层的数据通过数据转换,经由TCP/IP及网络设备上传,结合机房环境的3D气流分布,显示在监控界面,机房工作人员将自动或者手动进行各种联动控制和整改。温度监控系统和测温软件界面分别如图1、图2所示。

前门进风侧温度可以精确显示到0.1℃,此温度信息采集为了解整个机房的气流分布情况和调节空调提供了依据。

5 基于光纤测温的CFD能耗管理技术

5.1 概述

参照监控平台3D视图的温度场分布,针对机房平面内一些热负荷较大的局部热点,亦可通过人工加装盲板、调整送风地板活页角度等措施,帮助热交换,提高空调制冷效率。

IDC机房的环境监控系统从动力环境监控系统数据接口提取空调数据,并通过接口协议根据一定的运行逻辑动态控制机房空调的运行状态,从而实现反馈控制的目的,运行逻辑如下:

(1)机架顶部回风温度大于(或小于)25℃,并持续一段时间后,控制软件自动降低(或提高)相应区域专用空调设定温度。

(2)空调机组开启台数控制策略,根据现有机房空调总制冷量与机房内实际发热设备的匹配程度、现场情况及目标PUE值设定。

5.2 基于光纤测温的CFD能耗实用案例分析

6 SigmaRoom对此范例进行建模,如图3所示。经6SigmaRoom模拟计算后机柜前门温度分布情况、从机房整体角度看经6SigmaRoom模拟计算后的温度分布、经6SigmaRoom模拟计算后空调气流流线分别如图4、图5、图6所示。

通过比较可以看出,光纤测温实测数据与CFD模拟出的大概分布几乎吻合,CFD建模可以模拟出:房间整体及机柜环境温度分布,是否具有局部热点等,通过光纤测温实时测出实际温度,然后结合空调联动控制,实现空调的精密调控和优化。对于局部温度,我们可以采取加盲板等方法来解决。

6 总结

分布式光纤测温技术应用在数据中心机房的机柜微环境中在国内还属于初步发展阶段,其较高的温度精度和定位精度能够为机柜微环境温度和能耗监测提供一种有效方法;同时利用CFD 6SigmaRoom模拟软件可以较为精确模拟机房甚至机柜里的温度气流场分布。光纤布局后测温,IDC监控系统平台通过处理测温光纤采集到的温度信息,结合机房3D建模和CFD计算流体力学模拟技术,生成一套实时的、连续的机柜温度分布的3D视图。根据机房3D视图及每个机柜的温度分布情况,可对空调系统进行反馈控制和高效率的精确送风,从而消除局部温度过高或过低的状况。实现数据中心局部过热点的精确定位与快速降温,实现空调系统的精准调控与节能降耗,打造安全节能的数据中心。

分布式光纤测温技术应用在国内IDC数据中心温度监控系统的一种全新的模式,仍需在未来的IDC数据中心规划设计中积极探索,积累经验,不断完善成熟,为IDC数据中心的节能、能耗监控和运维做出更多贡献。

摘要：本文首先介绍了光纤测温技术的发展概况和基本概念,然后介绍了该技术的基本特点、原理及与传统测温方式的比较,分析了该技术在未来IDC机房中的地位和作用,紧接着分析了该技术和CFD气流模拟软件的结合,得到机房能耗的分布情况,最后对全文进行了总结。