分布式光纤传感系统监测扰动与温度

发表时间: 2019-04-12 15:21:18

分布式光纤传感技术可以监测哪些

  自其问世之初,便因具备测量范围大、结构简单、抗电磁干扰、损耗低、信号数据可多路传输等传统传感器所不具有的巨大优势,而在能源、航空航天、建筑、通信、交通、安防、军事等诸多领域的故障诊断及事故预警中,有着十分光明的应用前景。

  

  然而,长期以来,研究人员更多的是把重点放在系统性能的提升上面,如延长传感距离、增加空间分辨率、提高测量精度以及信号特征识别减小误报漏报等,在这方面也见证了巨大的进步,并出现了很多具有实际应用价值并投入市场的产品,这固然可喜可贺。但是在现实应用中,在许多场合仅监测某一种参数实难满足现实情况的要求,而如果依靠同时使用两个或多个独立的传感系统来监测的话,成本将明显成倍增加,因此作为一个重要的发展方向,可进行多参数测量的分布式光纤传感技术因其更加接近实际需求而得到越来越多的关注,比如在一些大型结构监测( 如桥梁、隧道等) 中,应变和振动信息都需要监测; 对于分布广泛的油气管线的安全监测中,则需要一套可对管道沿线扰动和温度信息同时敏感的传感系统。

  

  一些研究人员也进行了这方面的深入研究,并取得了一定的进展,但方向更多是集中在布利渊散射信号和光纤光栅(,以及其他融合型的方案的讨论上,比如相位敏感光时域反射技术( Φ-OTDR) 和布利渊光时域反射技术( BOTDA) 结合,光纤干涉法和 FBG 的融合等等,这些方案或者系统复杂,或者存在信号交叉敏感问题,或者不能实现全分布式传感等等,非常不利于实际应用。

  

  从现实中需要对石油燃气管线可能出现的: 人为破坏( 振动入侵) 及泄露( 温度异常) 等,综合情况进行全方位监测的实际需求作为出发点,以相对成熟的Φ-OTDR 和拉曼光时域反射( ROTDR) 技术为依托,进行扰动与温度同时测量技术的研究,虽然目前已有研究人员进行了这两种技术融合以实现温度与振动的同时测量的实验,并初步具有一定效果,但该方案带有明显弊端如脉冲调制较为复杂,脉冲频率受调制所限而使振动频率响应范围缩小等问题,为解决上述问题,提高已有系统器件利用率,在前期多路 Φ-OTDR 扰动传感技术研究的基础之上,作者兼顾现实及理论特点,设计出一种可以同时测量扰动与温度的简化方案,进行扰动与温度的同时异常监测研究,由于在实际场合中,为了节约成本及提高效率,光纤往往是以光缆的形式出现的,即光缆中同时包含多根光纤,因此多路方案在使用上也合乎实际。

  


  传统的基于 Φ-OTDR 的分布式光纤扰动传感系统原理,光源发出的连续光在经过声光调制器( AOM) 之后转换为脉冲光,该脉冲光经掺铒光纤放大器( EDFA) 放大后,通过环行器( Circulator) 注入传感光纤。脉冲光在传感光纤中传播时,光纤中的各个位置都将产生背向瑞利散射光,这些背向散射光沿着与探测脉冲光相反的方向传播,再次经过环行器后由光电探测器( PD) 接收。探测器检测到的是一个横坐标为时间,纵坐标为光强的背向瑞利散射曲线,曲线中各点表示的是传感光纤中对应位置的背向瑞利散射光强。

  

   Φ-OTDR 分布式光纤扰动传感系统原理图对于 Φ-OTDR 系统来说,它与常规光时域反射技术( OTDR) 的最大区别在于需要激光源有极窄的线宽和极小的频率漂移,以便于产生瑞利散射相干信号,线宽越窄,干涉作用便越明显,系统灵敏度也就越高; 而频率漂移会使 Φ-OTDR 后向散射曲线发生抖动,从而造成入侵信号被淹没。

  

  分布式温度传感系统的一个重要研究领域就是利用拉 曼 散 射 理 论,同时结合光时域反射技术的ROTDR。其中,拉曼散射是由泵浦光子与光纤中的光学声子相互作用而产生的一种非弹性散射,与布里渊散射相似,最终也会产生两种强度相当的频率成分,一种为泵浦光子吸收光学声子的反斯托克斯光( Anti-Stokes) ,另一种为泵浦光子释放光学声子的斯托克斯光( Stokes) 。

  

  ROTDR 分布式光纤温度传感系统原理图典型的拉曼测温系统,光源发出的连续光在经过声光调制器之后转换为脉冲光,该脉冲光经掺铒光纤放大器放大后,通过波分复用器注入传感光纤。脉冲光在传感光纤中传播时,光纤中的各个位置都将产生背向拉曼散射光,这些背向散射光沿着与探测脉冲光相反的方向传播,再次经过波分复用器后由可探测微弱光的探测器( APD) 接收。在拉曼散射光中,斯托克斯成分光强与光纤轴向温度变化几乎无关,因此可以作为测量温度的基准强度,而反斯托克斯成分光强随温度变化而变化,可以作为光纤轴向温度的指标强度,将指标强度与基准强度进行对比,再根据强度变化与温度的对应关系即可得到光纤各点处的温度信息。

  

  在 ROTDR 系统中,由于在同样情况下,自发拉曼散射光比自发瑞利散射光弱 30 dB 左右,主要是光脉冲的峰值功率与重复频率决定性能好坏,一般而言,为了避免信号处理过程中对信号平均处理时间过长,就要求脉冲源的峰值功率很高,而功率越大,温度分辨率就越大,传感距离也会越长,当然需低于某一阈值以避免光纤受激拉曼散射( SRS) 产生,否则,正常的自发拉曼信号将受到严重影响以致不能测量温度,不过该系统所用光源功率较低很难达到这一阈值。

  

  因此,可以在光强满足二者要求的前提下,以 Φ-OTDR 系统光源作为 Φ-OTDR 与 ROTDR 的共同光源,这时一种方法[9]便是通过脉冲调制使 ROTDR 与Φ-OTDR 分时采用不同峰值功率的脉冲光,进而再分别提取拉曼散射光和瑞利光,再通过信号处理便可得到温度和扰动信息。

  

  基于脉冲调制的振动与温度同时测量系统原理,为通过声光调制器( AOM) 进行脉冲调制产生两种脉冲分别用于 Φ-OTDR 与 ROTDR 的同时测量振动与温度的分布式光纤传感系统,然而由于利用声光调制器调制产生高低两种脉冲需要对调制器及其驱动部分有很高的要求,否则信号质量将受到很大影响,同时正因为采用这种两种功率的交替脉冲,必然使得单一的扰动或温度系统的脉冲周期增大,频率降低,进而由 Nyquist 采样定理可知,这将会使 Φ-OTDR 系统的频率感应范围严重受限和造成反映异常情况的速度降低,因此,如果采用下面的双路传感结构来代替此单路方案将不仅可以实现相同的作用而且更加简化甚至高效。

  

由于前期做了大量的光纤分布式扰动传感器及多路传感融合方面的研究,因此在借鉴此系统的基础上,设计了实验方案,连续激光首先经过半导体放大器( SOA) 调制成一定频率、脉宽及足够峰值功率的脉冲光,并由掺铒光纤放大器进行放大,然后,经过耦合器分成两路,一路直接作为温度部分的光源经拉曼波分复用器( WDM) 进入温度传感光纤中,另一路则很可能由于光功率过大造成非线性效应,因此需要衰减器( Attenuator) 进行一定光功率调节,然后再通过环形器进入扰动传感光纤中。一旦有脉冲光进入传感光纤中,各个光电探测器便开始分别接收从传感光纤中传来的瑞利后向散射光和拉曼后向散射光( Stokes 和 Anti-Stokes) ,然后经采集卡采集电信号交给上位机进行处理。

  

双路结构的扰动与温度同时监测的分布式光纤传感系统

其中,激光光源为线宽约为 5 kHz,频率漂移小于10 MHz/min,出 纤 功 率 约 10 mW 的 中 心 波 长 为1 550. 92 nm的连续光源,由于经 SOA 调制成脉宽为200 ns 的脉冲光后,功率大大降低,因此需要 EDFA进行适当放大,当系统所用 4. 9 km( 2. 9+2 km) 长传感光纤时,很容易就可以达到 Φ-OTDR 的最佳功率要求范围,但对于 ROTDR 来言,则需要充分运用放大功能,否则产生的拉曼散射光功率将极其微弱,不利于探测器接收,因此必须首先确保拉曼散射光的光强达到一定合理程度,其次再通过调节损耗,使经环形器进入第二条光纤的光脉冲功率不高于使 Φ-OTDR产生非线性效应的阈值。

  

外界入侵信号监测情况( b) 空间分辨率

温度分布监测情况( b) 空间分辨率在 200 ns 宽的脉冲光源作用下,在入侵实验中,采用手拍击的方式模拟入侵,从图 5 可以看出,当有入侵造成光纤发生扰动时,系统可以及时发生反应,空间分辨率约 11 m; 在泄露实验中,采用温箱模拟高温环境,可以看出,可以实现光纤沿线的温度实时监测,空间分辨率约 12 m,温度误差约±4 ℃,比较适合对油气泄露造成的温度突变进行报警。

  

从油气管线安全监测的实际需求出发,提出并实验验证了一种简单的双路结构的传感方案以实现扰动与温度信息的同时监测,该双路方案与可同时测量扰动与温度的单光纤方案相比,不仅避免了复杂的多脉冲调制及不会对脉冲频率造成限制,又大大提高了已有器件的利用率,并且有望具备同样乃至更优异的性能。

  

  在实验室环境中的初步实验结果表明可以该系统可以在 4. 9 km 及更长的传感光纤中实现对于入侵及温度异常的同时监测及报警,其中异常点定位误差在 20 m 以内,温度误差约±4 ℃。

  

  由于目前所采用的激光器光功率较小,以及噪声处理上尤其是拉曼信号去噪上效果不好,因此在测量上,不能做到较好的空间分辨率和温度精确度,下一步可选取更高功率的窄线宽激光器和其他更适合的去噪方法来进一步改善系统性能。


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