4.2光传感器组网方式2在线视频

同学们

大家好

我们上一节介绍了光传感

技术概述里面的光传感原理

以及光传感器组网里边的单点式

和准分布式光传感系统

我们来看分布式光传感系统

利用光波导作为延伸的传感元件

使其上任意一点

既作为敏感元件

又作为其它单元的信息传输通道

这样就可以获得

沿波导分布的被测量的时空变化信息

光在光纤中传输时

会产生弹性的瑞利散射和

非弹性的拉曼与布里渊散射

这个我们在前面这几种效应都已经说过了

它的散射谱

如下面的图所示

我们基于瑞利散射

拉曼散射

布里渊散射

实际上我们就可以来

构建分布式的光传感系统

看这个图

入射光

瑞利散射它的频率是不变的

所以叫做弹性的散射

那布里渊散射它的频率会发生变化

拉曼散射它的频率变化会更高

一般的有变高的也有变低的

变高的一般叫做反斯托克斯

变低的一般叫做斯托克斯

我们首先来看一下

基于后向瑞利散射的分布式传感

光纤中最强的散射是瑞利散射

刚才那个图大家可以看到

基于后向瑞利散射的分布式传感系统

它利用光时域反射

我们把它简称为OTDR

实现被测量的空间定位

典型的结构

如这个图所示

大家可以看这个图里边

被测量的量在这里面进行后向的散射

然后通过定向的耦合器

然后通过光电的转换检测信号的处理

最终我们就可以得到被测量的

信号的这样一个分布

依据瑞利散射光被调制的参量

我们可以把它分为强度和偏振调制两种

对后向瑞利散射光进行强度调制的

有利用微弯损耗构成的分布式

光纤力传感系统

就是用力可以改变光纤的弯曲程度

利用光纤在放射线照射下的光的损耗

构成的分布式辐射传感器

利用光辐射使它的损耗可以发生变化

利用化学染料对光的吸收构成的

分布式化学传感器

利用液芯光纤的瑞利散射系数

与温度的关系

构成分布式的温度传感器等

这是强度的

利用磁场

电场

压力

温度等

调制散射光的偏振态的分布式传感系统

这是利用它的偏振调制

好

我们来看一下基于拉曼散射的分布式传感

拉曼散射又分为

自发拉曼散射和受激拉曼散射

自发的拉曼散射就是

当光波在光纤中传输时

由光子和声子的非弹性碰撞产生拉曼散射

发出波长大于或者小于入射光

光波的斯托克斯和反斯托克斯两条谱线

这两条谱线的强度比

与温度具有如下的关系

这个关系里面大家看核心

这里后面有一个T

也就说它两束光的这个

强度的比和温度是有关系的

所以利用这一点

实际上我们就可以来测量温度

刚才公式里面的Ps

Pas

分别是斯托克斯和反斯托克斯光强

λs

λas是斯托克斯光反斯托克斯的波长

h是普朗克常数

c是真空的光速

△v是拉曼散射的频移

k是波尔兹曼常数

T是绝对温度

所以由刚才的公式

大家可以看到这两束光的强度之比

仅是介质温度的函数

所以它与注入的功率等参数没有关

因此我只要通过测量两个强度的比

实际上就可以来决定它的温度

而具体的

基于自发拉曼散射的分布式传感系统

大家看这个图

这个图激光入射

然后到传感光纤里面

传感光纤

刚才说了必然发生拉曼散射

这个拉曼散射有频率高的

频率高的就是斯托克斯和反斯托克斯

是通过定向耦合器和波分复用器

然后我们来测量这两束光的这个强度

通过这两束强度之比

然后进行处理就可以得到

不同点的这样一个温度

这就是它的探测的一个原理

再看一下

基于拉曼散射里边的受激拉曼散射的

分布式传感系统

这种传感系统

简单的一个示例是在传感光纤的两端

分别注入波长为

617nm的YAG脉冲激光

和波长633nm的He-Ne连续激光

由于它的连续光

受到脉冲光的拉曼放大作用

这个作用

对脉冲光和探测光的偏振态

极其敏感

就是它的放大

两个偏振态不一样的时候

它的放大的结果是不一样的

所以我们可以利用光纤上的横向的压力

调制两束光的偏振态

就可以让它承载相应的信息

这样它的放大以后的结果就必然不一样

所以通过这个放大的结果

实际上就可以得到原始的压力的分布

实际上是这样一个道理

它主要的和刚才的区别是采取了

拉曼放大这一点

好

我们看第三个

基于布里渊散射的分布式传感

布里渊散射是光纤中一种重要的

非弹性散射过程

基于布里渊散射的分布式光纤传感系统

包括如下的三大类

一个是基于布里渊光时域反射

简称为BOTDR

光时域分析BOTDA

和光频域分析BOFDA三种

先来看第一种

基于BOTDR的分布式光纤传感

BOTDR和我们广泛使用的OTDR

是很类似的

常规的OTDR实际上利用的是瑞利散射

这里用的是布里渊散射

当脉冲光在光纤中传输时

发送端可以探测到后向的散射光

散射光与脉冲光的时延提供了位置的测量

散射光的强度提供了衰减的测量

由于布里渊散射受温度和应变的影响

因此可以测得温度和应变的分布信息

测量布里渊谱线的

传统方法是利用的FP腔干涉法

但由于这个干涉仪的工作不稳定

且自发布里渊散射信号相当弱

因此

这种测量布里渊频移

测量的结果不是特别准确

所以人们提出了另外一种改进的方法

就是利用相干的检测

来改善测量的效果

改进系统的结构

如这里的这个图所示

我们来看一下

具体的来说是相干光源发出的光

发出光

假设它的频率用V1来表示

然后呢

通过一个声光的调制器变成脉冲光

脉冲光注入到这里的一个移频的环路里边

移频环路里边有移频器和放大器

所以就是可以使这一束光的

频率发生一个移动

移动以后

然后

我们就可以让它的频率变成V1+VS

发生了一个频移

发生这个频移

然后进入被测光纤里面进行布里渊散射

那布里渊散射就相当于频率的一个变化

比如说变化了VB

然后这束光顺着线路下来

然后和刚才的V1的这两束光

然后在这里进行平衡外差探测

所以这两束光的差实际上就是它

最终探测的信号

我们来看一下核心的思想

我们测试光纤的自发布里渊

后向散射光进入外差接收机

此前的参考光

我们把它叫做本振光

外差拍频的差是VS-VB

那这样

这个频率因为刚才说了这两个值可以非常接近

所以可以让它小于100MHz

所以在这么小的一个频率

内我们的测量实际上是非常好测量的

和传统的外差接收的这个有效频带刚好符合

所以可以很好的实现解决解调

频移环路中的声光移频的量

我们实际上可以精确的来控制

最终

改变这个频移量

就可以得到布里渊散射的

整个的一个频谱

这是它测量的原理

核心思想就是利用了外差探测的方法

让这个频率探测的频率

属于非常好测量的有效频段

相干自外差的BOTDR的优点是

只需要在光纤的一端测量

大家刚才图里面已经看到了它的应用非常方便

单个的激光器就可以实现自外差工作

容易精确的测量脉冲光与连续光的频差

如果这个本振光的功率足够大

实际上你可以降低探测光的光功率

外差接收机

加窄带的滤波器可以提高

频率的分辨率

用电子滤波器

就可以将布里渊信号

与瑞利后向散射信号进行分开

这就是这种

相干自外差探测的

优点

所以提高了它的探测的灵敏度

好

我们来看一下第二种

基于BOTDA的分布式光纤传感

BOTDA

我们刚才说了叫做布里渊光时域分析

它实际上主要的利用的是什么呢

和刚才的区别是利用了泵浦的脉冲光和

连续探测光间的布里渊受激放大作用

也就是它利用了受激放大的这一点

和刚才的主要区别在这

大家看这个图有两个激光器在两端

所以

这里面的连续光会受到脉冲光的受激放大

所以产生布里渊信号

然后我们来检测

它是指它的这个思想

当光纤某一处发生应变时

相应位置的布里渊频移就会发生改变

引起这部分的BOTDA信号急剧的衰减

我们调谐

入射泵浦光和探测光的频差

让它等于改变后的布里渊频率

这样它的放大仍然可以继续保持

这样就能使接收的布里渊信号增强

因此

利用这个就可以来测量

光纤沿线任意一点的布里渊频移

从而应用布里渊频移与应变之间的关系

实际上就可以测量

沿光纤任一点的应变的分布

所以这里的核心还利用了放大的原理

提高了它探测的这样一个灵敏度

与其它方法相比

在相同的条件下

它的测量的距离就会加长

它的动态范围就会增大

测量的精度就会高

但它的系统大家刚才看到了比较复杂

而且它的泵浦光和探测光在两端

所以不能测量光纤的断点

使得BOTDA的应用受到一定的限制

再看最后一种

基于BOFDA的分布式光纤传感系统

这叫布里渊频域分析仪

刚才叫时域

这叫频域

它的核心的思想是什么呢

就是说大家看这个图

和刚才的图实际上区别不大

在两端

只是探测这部分它用了网络分析仪

它测量的是基带的一个传输的函数

就是频率的一个变换函数

然后通过一个逆傅立叶变换叫IFFT

然后把这个频率变成时间

然后时间和位置又有这样的一个关系

Z等于ct/2n

所以又把时间变成距离

所以最终你就可以

测得在不同距离的地方的传感信号

这就是它的测量的一个原理

主要利用了一个傅里叶变换的一个技术

好

我们这一节的内容

讲了光传感器组网里边的分布式传感系统

那我们下一节来讲

光纤电流传感器及其应用

好我们这一节就讲到这里

谢谢大家