分布式光纖溫度和應(yīng)變傳感系統(tǒng)研究進(jìn)展*

王傳琦， 伍歷文， 劉 陽

(深圳市特發(fā)信息股份有限公司，廣州 深圳 518057)

綜述與評論

分布式光纖溫度和應(yīng)變傳感系統(tǒng)研究進(jìn)展*

王傳琦， 伍歷文， 劉 陽

(深圳市特發(fā)信息股份有限公司，廣州 深圳 518057)

基于布里淵散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)是面向溫度、應(yīng)變等參數(shù)的高測量精度、高空間分辨率、高頻率分辨率的監(jiān)測手段。分別從光纖傳感器設(shè)計與模擬、傳感光纖的選用、傳感技術(shù)輔助提升等三個方向總結(jié)和分析了基于布里淵散射的分布式光纖溫度—應(yīng)變傳感系統(tǒng)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀;介紹了分布式光纖傳感系統(tǒng)在油井、海底電纜等領(lǐng)域的應(yīng)用;并展望了未來的研究發(fā)展趨勢。

布里淵散射； 分布式光纖傳感器； 傳感光纖； 溫度監(jiān)測； 應(yīng)變監(jiān)測

0 引 言

隨著對抗電磁干擾、抗高溫、長距離、分布式溫度和應(yīng)變傳感光纖系統(tǒng)的需求日益增多，因具備溫度、應(yīng)變同測，高精度、高空間分辨率及遠(yuǎn)距離等優(yōu)點，基于布里淵散射分析的光纖傳感系統(tǒng)[1，2]在行業(yè)領(lǐng)域中得到了快速發(fā)展。

本文詳細(xì)介紹了布里淵測溫測應(yīng)變光纖傳感體系結(jié)構(gòu)，重點闡述了布里淵光時域反射(BOTDR)、布里淵光時域分析(BOTDA)光纖傳感系統(tǒng)的光信號處理方式。最后從光纖傳感器設(shè)計與應(yīng)用模擬、傳感光纖的選用、傳感技術(shù)輔助提升等三個研究方向總結(jié)和分析了基于布里淵散射的分布式光纖溫度—應(yīng)變傳感系統(tǒng)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀，并展望了未來的研究方向。

1 分布式光纖傳感系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

1.1 基于布里淵散射的光纖激光器

在分析基于布里淵散射光纖激光器內(nèi)各參數(shù)相互影響的研究中，黃琳等人[3]結(jié)合光纖干涉環(huán)原理和受激布里淵散射(SBS)效應(yīng)數(shù)值求解描述雙包層摻鐿光纖激光器的速率方程，得到構(gòu)建光纖干涉環(huán)的耦合器耦合率及泵浦功率與輸出脈沖重頻的關(guān)系；進(jìn)一步采用自調(diào)Q摻Y(jié)b3+雙包層光纖激光器(YDDCL)中光子數(shù)守恒的半數(shù)值模型得到耦合器耦合率、泵浦功率與輸出平均功率、脈沖能量的關(guān)系。研究表明：提高泵浦功率只能提高脈沖重復(fù)頻率和平均功率，并不能提高脈沖能量；選擇合適耦合率的耦合器構(gòu)建光纖干涉環(huán)才能獲得較高脈沖能量；泵浦功率較高時會激發(fā)二階斯托克斯光脈沖。

馬萬卓等人[4]設(shè)計了一種雙向反饋布里淵—喇曼光纖激光器，研究了布里淵泵浦對輸出特性的影響。研究表明：受色散補償光纖中喇曼交叉增益影響，BP功率由1.8 dBm增加到6.9dBm，輸出多波長數(shù)先增后減，同時奇數(shù)階托克斯光與偶數(shù)階斯托克斯光的平均強度增加。當(dāng)BP功率為4.4 dBm時，對應(yīng)輸出波長數(shù)最多，為37個，波長間隔0.078 nm。奇、偶數(shù)階斯托克斯光分別在BP功率為4.6，5.6 dBm時達(dá)到飽和，兩部分強度差減小。分析結(jié)果可為優(yōu)化線性腔BRFL輸出特性提供參考。

黃昌清等人[5]設(shè)計了一種具有全開放腔結(jié)構(gòu)、基于受激布里淵散射和摻鉺光纖混合增益的隨機光纖激光器，利用單模光纖中的瑞利散射效應(yīng)實現(xiàn)隨機分布反饋，在對激光器輸出光譜、功率及穩(wěn)定性的研究中發(fā)現(xiàn)，固定布里淵泵浦波長和泵浦功率分別為1550.00 nm和2.19 mW時，增加摻鉺光纖泵浦功率，可以實現(xiàn)兩個波長的隨機激光輸出；當(dāng)摻鉺光纖泵浦功率明顯高于閾值功率時，獲得的一階和二階隨機激光輸出穩(wěn)定，3 dB線寬約為0.022 nm，峰值強度和位置基本不隨時間而變化。

1.2 分布式光纖傳感器

分布式光纖傳感器(DOFS)為光纖傳感系統(tǒng)的重要組成部分，科研機構(gòu)對分布式光纖傳感器不斷創(chuàng)新,借助溫度和應(yīng)變傳感模擬模型的建立可大大縮短研發(fā)周期。捷克Reshak A H等人[6]通過背散射信號研究了光纖中布里淵散射和瑞利散射的性能，并在分布式光纖傳感器溫度和應(yīng)變模擬中考量主要噪聲源相干瑞利噪聲(CRN)的存在，分析了受溫度和應(yīng)變影響時背散射信號的特點。推理出一種能有效地確定對于給定輸入泵浦功率對應(yīng)的背散射布里淵信號的新算法。通過比較已公開的測量結(jié)果，驗證了所有仿真模型的分析精度。

在多參數(shù)(如應(yīng)變、溫度、氣體濃度、位移等)測量條件及耦合問題的研究中，王振寶等人[7]設(shè)計了一種可實現(xiàn)溫度、應(yīng)力同時準(zhǔn)確測量的雙參數(shù)光纖Bragg光柵(FBG)傳感器，并有效消除在應(yīng)力測量過程中與溫度的交叉敏感問題。實驗結(jié)果表明：測溫光柵及應(yīng)力測量光柵中心波長隨溫度呈線性變化趨勢，應(yīng)力測量光纖溫度響應(yīng)靈敏度由于封裝結(jié)構(gòu)及粘接膠對光柵的一定增強作用，約為理論值的2倍；測溫光柵溫度響應(yīng)靈敏度ΔλS,T為12.2 pm/℃(0 ℃時中心波長為1 529.604 nm)，與理論值基本吻合。潘崇麟等人[8]結(jié)合光子晶體光纖(PCF)中基模與高階模光的不同傳感特性以及氣體吸收傳感原理，給出了溫度、應(yīng)力和氣體濃度3種參量的計算式并進(jìn)行了數(shù)值模擬，設(shè)計使用2個寫入FBG的PCF作為傳感器的傳感解調(diào)系統(tǒng)，可以解決傳感過程中基模和高階模光的波長與光強交叉敏感問題。He Jianping等人[9]提出了一個同時使用局部和分布式混合光纖傳感系統(tǒng)(ROTDR-FBG和BOTDA/R-FBG輔助系統(tǒng))測量應(yīng)變和溫度的方法和原理,通過理論仿真和拉伸測試實驗來驗證。只要信號噪聲低于5 %的水平，從理論分析獲得的應(yīng)變誤差就是可接受的。OF-FBG傳感器和內(nèi)力測量用智能絞線的應(yīng)變測量結(jié)果表明：應(yīng)變非常接近實際的應(yīng)變狀態(tài)，溫度測量的絕對誤差與環(huán)境溫度相比不到2 ℃。證明了通過使用一個多信號光纖傳感器，應(yīng)變和溫度可以同時測量，且可用低成本解決耦合問題。

1.3 傳感光纖選用

傳感光纜內(nèi)的光纖選擇上除常規(guī)單模光纖(G.652)外，為滿足測試精度等更高要求，保偏光纖、非零色散位移光纖(G.655)等已逐步進(jìn)入選用范圍。張紅霞等人[10]利用保偏光纖對入射的線偏振光的偏振保持能力，通過白光干涉系統(tǒng)，實現(xiàn)準(zhǔn)分布式應(yīng)力、溫度和位置傳感。分析了SLD光源在不同驅(qū)動電流下的譜型分布及擬合曲線，光譜可用兩個高斯函數(shù)相加來描述。仿真和實驗結(jié)果表明：隨著光源輸出功率增加，在耦合點兩側(cè)對稱分布著偽耦合點。當(dāng)光源功率為15 mW時，偽耦合點的耦合強度比力致耦合點的耦合強度約小15 dB。賈振安等人[11]在理論上分析了布里淵散射譜線寬度對溫度傳感測量精度的影響機制，采用非零色散位移光纖(G.655)作為傳感光纖，測出在一定溫度變化范圍內(nèi)標(biāo)定點的布里淵散射譜線寬度和頻移值。結(jié)果表明：G.655光纖擬合曲線的線性度幾乎為1(G.652為0.995)，且布里淵譜線寬度更小，隨溫度變化比較穩(wěn)定，具有較高的傳感精度，更利于長距離監(jiān)測場傳感精度的提高。

1.4 傳感技術(shù)提升研究

為了實現(xiàn)應(yīng)變和溫度的準(zhǔn)確測量，分布式傳感光纖必須在使用前進(jìn)行標(biāo)定，確定其應(yīng)變和溫度響應(yīng)系數(shù)。呂安強等人[12]提出利用金屬管和恒溫裝置實現(xiàn)分布式傳感光纖應(yīng)變和溫度同時標(biāo)定的方法，設(shè)計了標(biāo)定方案，計算了光纖應(yīng)變與金屬管線膨脹系數(shù)的關(guān)系，搭建了標(biāo)定實驗系統(tǒng)。在單模裸纖布里淵頻移應(yīng)變和溫度響應(yīng)系數(shù)的標(biāo)定實驗中，應(yīng)變標(biāo)定跨度620×10-6，溫度標(biāo)定范圍35～75 ℃，得到單模裸纖布里淵頻移的應(yīng)變和溫度響應(yīng)系數(shù)分別為0.048 MHz/μm和1.06 MHz/℃，驗證了該方法在小直徑分布式傳感光纖應(yīng)變和溫度同時標(biāo)定的可行性和準(zhǔn)確性。

在研究傳感系統(tǒng)光纖激光器、光纖、光纖傳感器性能的同時，優(yōu)化光信號穩(wěn)定性、測量分辨率、傳感距離等傳感輔助技術(shù)已成為另一個重要方向。宋牟平等人[13]采用正交偏振控制對參與受激布里淵散射的激勵光和探測光信號進(jìn)行偏振處理，抑制了受激布里淵散射的偏振相關(guān)性帶來的接收信號偏振衰弱。最后實現(xiàn)了25 km普通單模光纖的分布式傳感，在5 m空間分辨率下分別達(dá)到2 ℃的溫度分辨率和30×10-6應(yīng)變分辨率。陳信偉等人[14]設(shè)計了基于保偏光纖(PMF)偏振耦合原理的分布式保偏光纖應(yīng)力傳感系統(tǒng)。通過旋轉(zhuǎn)半波片調(diào)節(jié)檢偏器檢偏角提高了系統(tǒng)測量靈敏度,通過優(yōu)化檢偏角,系統(tǒng)測量靈敏度為85 dB,最大空間分辨率為98 mm。系統(tǒng)實驗中能檢測大于1 000 m的保偏光纖,測量靈敏度和空間分辨率隨光纖長度的增加而逐漸衰減,溫度低于100 ℃時,其波動對測量影響很小,并在理論上分析了耦合強度和空間分辨率的測量值隨耦合點距光纖出射端距離的增加而降低的原因。張超等人[15]采用一種基于雙向分布式拉曼放大的BOTDA，對信號光進(jìn)行拉曼放大以補償光纖損耗及布里淵抽運波的消耗，光纖后端的測量分辨率明顯得到改善，探測信號整體平穩(wěn)，布里淵頻移隨溫度變化的線性度非常好，完全符合實際溫度傳感的要求。溫度傳感距離達(dá)50 km，溫度分辨率達(dá)0.6 ℃，空間分辨率為50 m。該系統(tǒng)保證了整段光纖的溫度分辨率，克服了傳統(tǒng)BOTDA 光纖后端信號急劇下降的弊端。畢衛(wèi)紅等人[16]利用前向拉曼抽運和后向拉曼抽運方式對微弱布里淵散射信號的放大作用，解決了BOTDR系統(tǒng)中傳感距離受限、信噪比和測量精度受影響的問題。實驗結(jié)果表明:后向拉曼放大的受激布里淵散射閾值要高于前向拉曼放大的受激布里淵散射閾值，且采用后向拉曼放大方式不會受到二階布里淵散射譜線的影響，并有效減小了受激布里淵散射效應(yīng)的干擾，最終使整個BOTDR系統(tǒng)的信噪比得到提高。后向放大中，隨著抽運光功率的增加，無論是斯托克斯光(Stokes)還是瑞利光的增益都會一直增大。當(dāng)抽運功率為1 000 mW時,后向抽運放大增益可達(dá)16.33 dB，有利于對布里淵背向散射信號持續(xù)放大。

在解決系統(tǒng)中溫度和應(yīng)變交叉問題和提升計算精度方面，雷楊等人[17]提出了一種聯(lián)合受激布里淵散射和后向瑞利散射來解決分布式光纖傳感器系統(tǒng)中溫度和應(yīng)變交叉問題的方法，此方法依據(jù)光纖中散射與溫度和應(yīng)變的相關(guān)特性，分析了溫度和應(yīng)變對SBS，瑞利散射的影響。利用數(shù)值計算耦合模方程求解出在泵浦光入射端接收到的SBS信號光功率和后向瑞利散射光功率。由應(yīng)變補償并解調(diào)SBS信號光功率獲得溫度信息，在空間分辨率為10 m內(nèi)能夠得到2 ℃的溫度精度。謝杭等人[18]采用溫度和應(yīng)變系數(shù)不同的雙光纖進(jìn)行雙參量傳感，選擇G652裸光纖和G652成纜光纖(感應(yīng)位置及長度相同)，通過構(gòu)建系數(shù)矩陣，由兩根光纖的布里淵頻移計算得出溫度和應(yīng)變，從而實現(xiàn)了溫度分辨率25 ℃左右，應(yīng)變分辨率約為200×10-6的雙參量傳感。韓國Hyungwoo Kwon等人[19]在對BOTDR的系統(tǒng)實驗中分析了兩個不同的非線性擬合方法。通過測量自發(fā)布里淵頻率，比較了洛倫茲擬合和沃伊特擬合,證實了洛倫茲擬合的準(zhǔn)確性高于沃伊特，并使用相干探測系統(tǒng)遠(yuǎn)程分布式測量遠(yuǎn)程光纖36 km。利用聲光調(diào)制器改善光脈沖的消光比，使用洛倫茲適合算法成功地測量了布里淵頻移，提升了光纖溫度和應(yīng)變的計算效率。

在利用數(shù)值模擬受激布里淵散射的研究中，張聰?shù)热薣20]基于受激布里淵散射Langevin噪聲模型，通過近似的三波耦合方程組，采用了時域有限差分法，對光纖中受激布里淵散射過程進(jìn)行數(shù)值模擬計算。數(shù)值模擬中，在一定的抽運入射光作用下，把Stokes光作為起振光入射到光纖的另外一端，發(fā)現(xiàn)起振光的存在與否會影響到抽運光場、散射光場和聲波場的時間空間振幅變化，即存在Stokes光時散射光的功率隨時間趨于飽和而沒有Stokes光時散射光功率隨時間的近似線性變化。張美等人[21]對單頻光纖放大器中SBS效應(yīng)進(jìn)行了理論分析和數(shù)值模擬，討論了光纖長度、抽運功率、Tm3+摻雜濃度及增益光纖內(nèi)溫度分布等因素對SBS效應(yīng)和輸出功率的影響，總結(jié)出提高輸出功率、有效抑制SBS效應(yīng)的方法。搭建的全光纖摻銩光纖種子光源及放大器，高穩(wěn)定性的全光纖摻銩激光種子光的中心波長為1 941 nm，信噪比約為60 dB。當(dāng)摻銩放大器的抽運功率達(dá)到2.15 W時，激光的輸出功率可以達(dá)到0.766 W。

2 分布式光纖傳感系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域

分布式光纖傳感系統(tǒng)已在油氣管道火災(zāi)監(jiān)測、油井開采、海底電纜、壓力管道、隧道等[22,23]諸多領(lǐng)域發(fā)揮了其精確的監(jiān)控保障作用。在創(chuàng)新應(yīng)用研究中， Mirzaei A等人[24]利用ROTDR和BOTDA傳感器，研究了精確的石油管道測漏系統(tǒng)，通過監(jiān)測因石油泄漏引起管道周圍環(huán)境的溫度變化確定其泄漏位置，具體位置由檢測光和背散射激光脈沖之間的時間差確定。BOTDA和ROTDR傳感器的瞬態(tài)響應(yīng)是從溶液質(zhì)量、土壤和光纜的能源及熱傳導(dǎo)數(shù)據(jù)中獲得。結(jié)果表明：實測數(shù)據(jù)與BOTDA和ROTDR傳感器的實驗結(jié)果一致，證明了通過光纖泄漏傳感器測量泄漏流量方法的可行性。在石油管道運輸?shù)脑搭^，石油開采過程中同樣需要光纖傳感系統(tǒng)的輔助。Peng Gaoliang等人[25]提出了一種基于光纖監(jiān)測油井包含泡沫部分工作液面的新方法。該方法利用不同媒介中的熱傳導(dǎo)系數(shù)差異原理及拉曼光散射。所用分布式溫度傳感器由光纖和耐熱光纜組成,可以放在油管—套管環(huán)形空間。系統(tǒng)根據(jù)測量溫度的快速變化, 可以準(zhǔn)確識別空氣與泡沫、泡沫與液體之間的界面、以此作為管道液面的重要參數(shù)，合理確定油井產(chǎn)油計劃，布里淵散射原理同樣適用于智能電網(wǎng)在線監(jiān)測方面的應(yīng)用。連紀(jì)文等人[26]利用BOTDA測量技術(shù)，設(shè)計了一種應(yīng)用于110 kV輸電線路中同時測量光纖分布式溫度和應(yīng)變的OPPC結(jié)構(gòu)，可反映任意一點的溫度和應(yīng)力應(yīng)變分布狀況，對耐張線夾和應(yīng)變異常部位的實時監(jiān)測提升了線路監(jiān)測的技術(shù)水平。

除了在陸地重要領(lǐng)域中的應(yīng)用外，隨著大陸與島嶼間互聯(lián)、洲際間互聯(lián)的需求增加，基于布里淵散射的溫度—應(yīng)變傳感技術(shù)在海底電纜的環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域得到了廣泛重視。呂安強等人[27]利用BOTDR對110 kV高壓光纖復(fù)合海底電纜中的復(fù)合光纖進(jìn)行了應(yīng)變(恒溫、加砝碼)和溫度(恒應(yīng)變、變溫度)標(biāo)定實驗，比較了不同光纖布里淵頻移的應(yīng)變/溫度系數(shù)和初始頻移的區(qū)別，利用頻移分布曲線進(jìn)行接續(xù)點精確定位的方法，通過監(jiān)測海纜的實際運行狀態(tài)和數(shù)據(jù)分析得出：海纜光單元中不同光纖的布里淵頻移—應(yīng)變—溫度系數(shù)基本相同，約為0.05 MHz/10-6和1.05 MHz/℃，但初始頻移差別較大，變化范圍約20 MHz；兼顧海纜沿線的海底地形、地質(zhì)、負(fù)荷電流、不同季節(jié)的洋流、環(huán)境溫度等因素，可提高應(yīng)變和溫度監(jiān)測精度。李永倩等人[28]在110 kV三相單芯高壓光電復(fù)合海纜的基礎(chǔ)上，首次實現(xiàn)了將BOTDR系統(tǒng)、船舶自動識別系統(tǒng)(AIS)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)(VMS)相結(jié)合，設(shè)計了3維立體實時在線監(jiān)測系統(tǒng)，可以對引起海纜故障的肇事船舶進(jìn)行錄像、定位及確認(rèn)。且詳細(xì)分析了BOTDR測試獲取的海纜溫度和應(yīng)變數(shù)據(jù)，為后續(xù)對海底電纜傳輸性能及穩(wěn)定性的影響研究提供了參考基礎(chǔ)。

3 分布式光纖傳感研究方向展望

依據(jù)光纖傳感器、傳感光纖、傳感技術(shù)輔助研究等方向的研究與發(fā)展現(xiàn)狀分析，提出未來基于布里淵散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)可能的主要研究方向：1)高溫油氣井監(jiān)控、海底電纜監(jiān)控等涉及多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的集成解決方案；2)針對溫度、應(yīng)變等參數(shù)的高精度、高空間分辨率、高頻率分辨率和動態(tài)特性的快速數(shù)據(jù)采集算法和信號處理算法研究；3)解決單光纖溫度、應(yīng)變等參數(shù)間交叉敏感方面的研究；4)超長距離分布式光纖傳感器及監(jiān)測系統(tǒng)的研究；5)融合分布式3維監(jiān)測感知體系，多參數(shù)立體化監(jiān)控研究； 6)降低基于布里淵散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)成本，實現(xiàn)應(yīng)用領(lǐng)域多樣化。

4 結(jié)束語

本文通過以布里淵散射理論分析、光纖傳感器分類及傳感光纖組成的分布式傳感技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，總結(jié)和分析了圍繞光纖傳感技術(shù)的研究進(jìn)展。著重介紹了分布式光纖溫度傳感器在油井、海底電纜等領(lǐng)域的應(yīng)用。為今后分布式光纖傳感溫度、應(yīng)變傳感的研究和工程應(yīng)用提供相關(guān)的有益參考和借鑒。

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Research progress of distributed optical fiber temperature and strain sensing system*

WANG Chuan-qi, WU Li-wen, LIU Yang

(Shenzhen SDG Information Company Limited,Shenzhen 518057,China)

The distributed optical fiber sensing system based on Brillouin scattering is a kind of monitoring technology for temperature and strain parameters with high measurement precision,high spatial resolution and frequency resolution.Research and development status of distributed optical fiber temperature and strain sensing system based on Brillouin scattering is summarized and analyzed,from design and simulation of optical fiber sensor,selection of sensing optical fiber and promotion of sensing technology.Applications of distributed optical fiber sensing system in the field of oil well and submarine cable is introduced.In addition,future research trends is prospected.

Brillouin scattering; distributed optical fiber sensor; sensing optical fiber; temperature monitoring; strain monitoring

10.13873/J.1000—9787(2017)04—0001—04

2016—04—27

深圳市技術(shù)攻關(guān)項目(重20150145)

TP 212

A

1000—9787(2017)04—0001—04

王傳琦(1984-)，男，博士，工程師，主要從事光纖傳感器、激光束表面改性等研究工作。