相位敏感OTDR和布里渊OTDR结合的双参量分布式光纤传感的研究

在分布式光纤传感及应用中,单一传感系统一般只能实现一种参量的监测,如相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)只能监测光纤沿线的振动信息,布里渊光时域反射计(BOTDR)仅能监测应变/温度信息。对于多参量监测的应用场合,必须通过配合多种技术和系统来实现多参量监测和分析,增加监测成本和复杂性。设计并搭建了一种集成Φ-OTDR和BOTDR的双参量分布式光纤传感系统。该系统通过同时测量光纤中的瑞利散射和布里渊散射信号,在一根传感光纤中实现了温度/应变和振动的双参量检测。经过试验测试和验证,其测量距离达50 km以上,空间分辨率可达20 m,温度测量精度为±3℃,频率测量精度±0.15 Hz以上。     

光纤激光传感系统的研究进展

光纤激光传感系统作为一种新型的光纤传感技术,结合了光纤传感的高灵敏度、可分布式测量和不易受电磁干扰等优点,以及光纤激光器的窄线宽和高光信噪比等优势,能够很好地应用于油田、矿山、桥梁、电力以及飞机等领域的测量和安全监控。从两个方面介绍了目前光纤激光传感系统的研究进展,一方面是基于单参量测量的光纤激光传感系统,系统所探测的参量包含了温度、应变、折射率、电流、声波和风速等;另一方面是基于双参量测量的光纤激光传感系统,主要是解决温度与横向应力、应变和折射率等交叉敏感的问题。     

基于光纤传感技术在边坡监测中的应用研究

FBG和BOTDR是两种最具代表性的分布式光纤传感技术,国内外工程界都已开展了将这两种技术用于边坡滑坡监测的尝试。FBG通过测量其反射光波长的变化获得应变和温度信息,BOTDR通过检测后向布里渊散射的频移实现分布式应变、温度信息的获取。分别介绍了FBG和BOTDR传感技术,并给出了针对国内某边坡滑坡监测的分别基于FBG和BOTDR的技术方案。     

一种提高BOTDR系统信噪比的方法研究

提出了一种利用非线性反射镜提高布里渊光时域反射仪(BOTDR)系统信噪比的新型传感结构.通过将两根相同类型的传感光纤敷设在同一待测温度或应变环境下,结合光纤3 dB耦合器,可以形成非线性反射镜.利用非线性反射镜可以将传感系统输出信号的强度提高到只用一根传感光纤时的4倍,既能改善系统的信噪比及测量精度,也能提高传感系统的可靠性.     

基于BOTDR的多模光纤温度传感

针对多模光纤存在的模式耦合和布里渊增益谱展宽限制传感精度的提高等问题,提出利用单模光纤对多模光纤中散射信号的高阶模进行过滤实现多模光纤分布式温度传感精度的提高.分析了多模光纤的布里渊散射与温度传感原理,搭建单模光纤滤模的移频本地外差布里渊光时域反射(BOTDR)系统,测量并比较了两种多模光纤的温度传感特性.结果表明:在...     

基于布里渊光时域反射的分布式光纤传感入侵定位检测系统

建立了基于布里渊时域反射(BOTDR)技术的分布式光纤传感入侵定位检测系统。采用自制的光纤单纵模分布反馈(DFB)激光器,利用边缘滤波(BPF)技术,简化了BOTDR系统中频率解调的方法,实现了对入侵应变事件的快速定位与检测。实验结果表明,当探测范围为10km时,系统的定位空间分辨率达到5m,应变分辨率达到200με,可以满足入侵定位实时检测的需求。     

光纤光栅埋入后温度、应变解耦分析

光纤光栅传感器在现实应用中的一个主要问题是温度和应变的交叉敏感问题.介绍了光纤双光栅同步测量温度和应变的原理,设计了一个光纤双光栅温度、应变测量系统,对光纤双光栅的温度和应变传感性能进行了实验研究,结果表明光纤双光栅具有多参量同时测量的能力.     

多参量和多功能型光纤光栅传感技术

介绍了多参量和多功能型光纤光栅传感技术的原理、发展历史和现状,重点介绍了利用基于光纤光栅的一个传感头同时测量多个参量的技术.详细分析了利用一个光纤光栅传感头同时测量温度和应变的原理和技术,对多参量传感中的传感头结构进行了总结和分类,提出并分析了新的多功能型光纤光栅多参量传感系统.     

用可调谐F-P滤波器实现分布式应变与温度同时测量系统

理论分析了FBG光纤光栅和长周期光纤光栅应变与温度同时测量的传感原理.在分析实现光纤光栅传感技术解调的基础上,重点研究了可调谐光纤F.P滤波器解调法.提出采用可调F-P滤波器实现分布式应变与温度同时测量系统的解调方案,较好地实现了多点应变与温度的同时测量.这种方法的测量精度较高,其中测量应变的灵敏度可以达到9με,测量应变的灵敏度为15℃.     

双光纤双参量布里渊光时域分析传感技术的研究

对于布里渊分布式光纤传感器(DOFS),温度或应变的变化都会引起布里渊频移谱改变,因此存在交叉敏感问题。在以往对布里渊光时域反射(BOTDR)计的双参量传感研究中,采用单根光纤,通过同时检测布里渊频移和功率变化,实现双参量传感。但对于布里渊光时域分析(BOTDA),由于受激布里渊散射的偏振相关性,不能实现对受激散射光功率的准确检测,因此难以实现单光纤的双参量传感。针对这一问题采用温度和应变系数不同的双光纤进行双参量传感。先测量了几种常用光纤的温度和应变布里渊频移系数,然后选择G652和G652成缆两种光纤,通过构建系数矩阵,由两根光纤的布里渊频移计算得出温度和应力,从而实现了温度分辨率25℃左右,应变分辨率约为200με的双参量传感。     

Fiber-optic sensors using high-resolution optical time domaininstrumentation systems

Applications of high-resolution optical time domain instrumentation systems for the sensing of strain and temperature using optical fibers are discussed. It is demonstrated that optical fiber segmentation using partially reflective splices allows measurement of localized fiber parameters. In particular, localized fiber strain is measured using specially designed in-line reflectors spaced less than 1 m apart. It is shown that the time domain response to temperature variations can be improved by using silicone fluid-filled fibers with thermooptic coefficients as high as -4.2×10^-4/°C. The applications of fiber-optic reentrant loops to further improve on system-imposed measurement resolution are discussed. It is shown that recirculation of the probing optical pulse through the sensing fiber yields an effective increase in fiber interaction length     

相位敏感光时域反射仪的振动全程敏感研究

研究相位敏感光时域反射仪振动检测时, 高功率激光脉冲的入射使得光电探测器产生饱和现象而导致光纤前端振动传感不敏感, 低功率又满足不了远距离检测的需求。为了解决这一问题, 采用一种新型传感结构的方法进行了理论分析和实验验证。根据入射功率的高低对光纤分段检测, 通过相应的数据处理, 实现了光纤振动全程敏感的结果。同时, 为了进一步提高该系统的振动灵敏度和信噪比, 对比分析了雪崩二极管检测与利用低噪声光电二极管检测的结果, 并比较了声光调制器与半导体光放大器的实验效果。结果表明, 当测量距离为38km时, 相比雪崩二极管检测, 利用低噪声光电二极管与掺铒光纤放大器有更高的信噪比; 相比声光调制器, 利用半导体光放大器能得到更高信噪比。该新型传感结构为光纤传感器领域的科学研究和工程应用提供了很好的参考。     

Performance Analysis of Temperature and Strain Simultaneous Measurement System Based on Heterodyne Detection of Brillouin Scattering

Microwave heterodyne detection can be used to measure the temperature and strain distribution along a fiber with high accuracy in a Brillouin optical time domain reflectometry （BOTDR） system. This method involves simultaneous measurement of Brillouin scattering and Rayleigh scattering in fiber, and scanning of Brillouin spectrum to obtain the desired information. This paper presents a simultaneous measurement system of temperature and strain based on microwave detection and analyzed the system performances such as measurement accuracy, dynamic range, and spatial resolution theoretically. The analysis shows that the system can achieve a temperature resolution of 1°C and a strain resolution of 100 μs.     

A performance enhanced Rayleigh Brillouin optical time domain analysis sensing system

Aiming at the problem of large fading noise in Rayleigh Brillouin optical time domain analysis system, a wavelength scanning technique is proposed to enhance the performance of the temperature sensing system. The principle of the proposed technique to reduce the fading noise is introduced based on the analysis of Rayleigh Brillouin optical time domain analysis system. The experimental results show that the signal-to-noise ratio (SNR) at the end of optical fiber with length of 50 m after 17 times wavelength scanning is 5.21 dB higher than that with single wavelength, the Brillouin frequency shift (BFS) on the heated fiber with length of 70 m inserted at the center of sensing fiber can be accurately measured as 0.19 MHz, which is equivalent to a measurement accuracy of 0.19 °C. It indicates that the proposed technique can realize high-accuracy temperature measurement and has huge potential in the field of long-distance and high-accuracy sensing.     

布里渊谱信号的提升方法研究

在布里渊光时域反射计(Brillouin Optical Time Domain Reflectometer,BOTDR)光纤传感系统中,自发布里渊后向散射信号非常微弱,尤其是光纤远端的布里渊散射信号,信噪比非常差,分析难度非常高。提出了一种基于互相关理论的布里渊谱信号质量提升方法,通过与理想布里渊散射谱进行互相关运算,降低了对光纤远端极微弱布里渊散射信号应变分析的难度。经试验验证,该方法可以有效提升信噪比较差时应变分布数据的信号质量以及BOTDR的应变传感精度。     

Industrial Applications of the BOTDR Optical Fiber Strain Sensor

The Brillouin optical time-domain reflectometer (BOTDR) is a distributed optical fiber strain sensor whose operation is based on Brillouin scattering, and BOTDR equipment has been developed for practical use in the field of civil engineering. This equipment can measure continuous strain along an optical fiber over a distance of 10 km. Because of this advantage, it has been expected that BOTDRs would be used to detect deformations or diagnose problems in large-scale structures such as buildings, tunnels, and levees. In fact, a number of feasibility studies on the use of BOTDRs have been undertaken.This paper describes the principle of strain measurement using a BOTDR and its basic configuration. Then we introduce recent examples where BOTDRs have been applied to actual structures. We describe results of three field tests, namely, as a damage-detection system for America's Cup yachts, as an optical fiber sensor for detecting changes in river levees, and as a strain-sensing optical fiber embedded in concrete structures.     

光开关在分布式光纤温度传感系统的应用研究

分析了决定分布式光纤温度传感器系统传感距离的因素,提出了使用光开关扩展系统的传感长度。设计了多模1×2棱镜光开关的单片机驱动接口,计算机软件通过RS232串行接口发出指令控制光开关的切换。测试结果表明,嵌入了1×2光开关可使系统传感光纤长度延伸为原来的2倍。     

高压电缆用分布式光纤传感检测系统

电力电缆线路运行时的温度和应变在线检测是保障电力系统安全与稳定的必要措施。介绍了用于高压电缆在线监控的分布式光纤传感检测系统方案。详细阐述了检测系统中测量设备的选择,研究了适用于电力系统复杂环境中的温度和应变测量的新型传感光纤——碳密封涂覆光纤,并对这种传感光纤的安装方式进行了探讨。分布式光纤传感检测系统将在高压输电电缆系统的在线检测方面有很大的应用前景。     

分布式光纤应力检测技术的性能分析

为防止光缆损坏和断裂,需要对光缆受力情况进行检测。为此对BOTDR（布里渊光时域反射）、BOTDA（布里渊光时域分析）、干涉型、光纤光栅型四种光纤应力检测技术的原理和结构做了介绍,对每种检测技术的信噪比进行了分析,得出BOTDA和光纤光栅型系统的信噪比较大,最后对每种技术的优缺点进行了总结,介绍了各种技术的应用范围。