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让光纤传感系统成为您的眼睛和耳朵
日期:2024-06-17

让光纤传感系统成为您的眼睛和耳朵


通过光纤传感系统轻松进行边境监控

如果要监控物理边界,例如墙壁和围栏,光纤传感系统是理想的选择。

这种系统使用光纤作为传感器,可以沿着光纤的整个长度连续实时测量声音、运动或温度。

这些传感器是标准的、未经修改的电信光纤,具有许多优点:它们易于安装,它们能够用一个询问器测量数千个位置,它们覆盖了很大的地理范围,它们不受电磁干扰,它们不携带任何电力,并且它们高度可靠且具有成本效益。

解调仪将光发送到光纤中并检测返回的散射光,同时复杂的算法可以高精度地计算出光纤上发生的事情。有了这些,我们就可以继续散射机制了。

散射机理

光纤基本上表现出三种散射机制:瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射。每种机制都适用于测量特定的物理参数(表1)。

散射机理光学测量仪物理参数
拉曼振幅(反斯托克斯,斯托克斯)温度
布里渊频率、振幅温度、应变
瑞利振幅、相位动态温度和应变

1:光纤中散射过程的光学测量和物理参数。

每种散射机制都显示出一个特征光谱(图1)。

光纤内散射光的光谱分量示意图。

 

 

 

 

 

图 1:光纤内散射光光谱分量的示意图。

用于温度传感的拉曼散射

拉曼散射广泛用于分布式温度传感(DTS),它使用简单的滤光片方案来测量反斯托克斯和斯托克斯分量的振幅,然后根据它们的比率计算温度曲线。

主要应用领域包括隧道和建筑物火灾探测、电力电缆监测、管道监测、油气井内监测以及地热/环境应用。

DTS已经成为全球铁路和公路隧道的标准火灾探测方法,因为它可靠、经济高效、快速报警,并在隧道中精确地定位。随着向可再生能源的过渡,DTS的电力电缆监测在预测电缆过载方面变得越来越普遍。

用于温度和应变测量的布里渊散射

布里渊散射需要复杂的检测方案,因为它相对于激光线的频移很小。分析的布里渊频率取决于温度和应变,因此参数须由系统分离。

除了前面提到的一些DTS应用外,布里渊还广泛用于与地面运动相关的分布式应变传感(DSS)及其对管道、电缆、水坝、火车轨道、桥梁、隧道和建筑物等基础设施的影响,也称为结构监测。

用于动态温度和应变测量的瑞利散射

分布式声学传感 (DAS) 通常基于相干瑞利散射。来自多个散射中心的瑞利散射光的干涉导致散斑图案,该散斑图案取决于叠加光波之间的相位差。该图案对纤维长度的变化很敏感;几十纳米的差异会导致典型波长约为 1.5 μm 的光发生显著的相位变化。

现代 DAS 系统具有出色的灵敏度

基于瑞利散射的现代 DAS 解调仪具有非常高的灵敏度。图 2 描绘了 15 m 长的光纤部分总共周期性拉伸 10 nε 或 150 nm,即使在 70 km 的距离内也能产生巨大的信号。

观测到的这个非常微弱和遥远的事件的空间分辨率仅为15 m,如下图所示。在较短的距离上,甚至可以实现亚nε或几nm的分辨率。

分布式声学传感信号非常强,可以轻松传播 70 公里的距离,同时保持仅 15 米的分辨率。

 

 

 

 

 

图 2:分布式声学传感信号很强,可轻松传播 70 公里的距离,同时保持仅 15 米的分辨率。

灵敏度并不是 DAS 系统的唯一重要特性。由于有许多感兴趣的声学信号,因此需要合适且复杂的算法来可靠地识别事件。



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