分布式光纤温度和应变传感系统研究进展*

王传琦， 伍历文， 刘 阳

(深圳市特发信息股份有限公司，广州 深圳 518057)

综述与评论

分布式光纤温度和应变传感系统研究进展*

王传琦， 伍历文， 刘 阳

(深圳市特发信息股份有限公司，广州 深圳 518057)

基于布里渊散射的分布式光纤传感系统是面向温度、应变等参数的高测量精度、高空间分辨率、高频率分辨率的监测手段。分别从光纤传感器设计与模拟、传感光纤的选用、传感技术辅助提升等三个方向总结和分析了基于布里渊散射的分布式光纤温度—应变传感系统的研究与发展现状;介绍了分布式光纤传感系统在油井、海底电缆等领域的应用;并展望了未来的研究发展趋势。

布里渊散射； 分布式光纤传感器； 传感光纤； 温度监测； 应变监测

0 引 言

随着对抗电磁干扰、抗高温、长距离、分布式温度和应变传感光纤系统的需求日益增多，因具备温度、应变同测，高精度、高空间分辨率及远距离等优点，基于布里渊散射分析的光纤传感系统[1，2]在行业领域中得到了快速发展。

本文详细介绍了布里渊测温测应变光纤传感体系结构，重点阐述了布里渊光时域反射(BOTDR)、布里渊光时域分析(BOTDA)光纤传感系统的光信号处理方式。最后从光纤传感器设计与应用模拟、传感光纤的选用、传感技术辅助提升等三个研究方向总结和分析了基于布里渊散射的分布式光纤温度—应变传感系统的研究与发展现状，并展望了未来的研究方向。

1 分布式光纤传感系统的研究现状

1.1 基于布里渊散射的光纤激光器

在分析基于布里渊散射光纤激光器内各参数相互影响的研究中，黄琳等人[3]结合光纤干涉环原理和受激布里渊散射(SBS)效应数值求解描述双包层掺镱光纤激光器的速率方程，得到构建光纤干涉环的耦合器耦合率及泵浦功率与输出脉冲重频的关系；进一步采用自调Q掺Yb3+双包层光纤激光器(YDDCL)中光子数守恒的半数值模型得到耦合器耦合率、泵浦功率与输出平均功率、脉冲能量的关系。研究表明：提高泵浦功率只能提高脉冲重复频率和平均功率，并不能提高脉冲能量；选择合适耦合率的耦合器构建光纤干涉环才能获得较高脉冲能量；泵浦功率较高时会激发二阶斯托克斯光脉冲。

马万卓等人[4]设计了一种双向反馈布里渊—喇曼光纤激光器，研究了布里渊泵浦对输出特性的影响。研究表明：受色散补偿光纤中喇曼交叉增益影响，BP功率由1.8 dBm增加到6.9dBm，输出多波长数先增后减，同时奇数阶托克斯光与偶数阶斯托克斯光的平均强度增加。当BP功率为4.4 dBm时，对应输出波长数最多，为37个，波长间隔0.078 nm。奇、偶数阶斯托克斯光分别在BP功率为4.6，5.6 dBm时达到饱和，两部分强度差减小。分析结果可为优化线性腔BRFL输出特性提供参考。

黄昌清等人[5]设计了一种具有全开放腔结构、基于受激布里渊散射和掺铒光纤混合增益的随机光纤激光器，利用单模光纤中的瑞利散射效应实现随机分布反馈，在对激光器输出光谱、功率及稳定性的研究中发现，固定布里渊泵浦波长和泵浦功率分别为1550.00 nm和2.19 mW时，增加掺铒光纤泵浦功率，可以实现两个波长的随机激光输出；当掺铒光纤泵浦功率明显高于阈值功率时，获得的一阶和二阶随机激光输出稳定，3 dB线宽约为0.022 nm，峰值强度和位置基本不随时间而变化。

1.2 分布式光纤传感器

分布式光纤传感器(DOFS)为光纤传感系统的重要组成部分，科研机构对分布式光纤传感器不断创新,借助温度和应变传感模拟模型的建立可大大缩短研发周期。捷克Reshak A H等人[6]通过背散射信号研究了光纤中布里渊散射和瑞利散射的性能，并在分布式光纤传感器温度和应变模拟中考量主要噪声源相干瑞利噪声(CRN)的存在，分析了受温度和应变影响时背散射信号的特点。推理出一种能有效地确定对于给定输入泵浦功率对应的背散射布里渊信号的新算法。通过比较已公开的测量结果，验证了所有仿真模型的分析精度。

在多参数(如应变、温度、气体浓度、位移等)测量条件及耦合问题的研究中，王振宝等人[7]设计了一种可实现温度、应力同时准确测量的双参数光纤Bragg光栅(FBG)传感器，并有效消除在应力测量过程中与温度的交叉敏感问题。实验结果表明：测温光栅及应力测量光栅中心波长随温度呈线性变化趋势，应力测量光纤温度响应灵敏度由于封装结构及粘接胶对光栅的一定增强作用，约为理论值的2倍；测温光栅温度响应灵敏度ΔλS,T为12.2 pm/℃(0 ℃时中心波长为1 529.604 nm)，与理论值基本吻合。潘崇麟等人[8]结合光子晶体光纤(PCF)中基模与高阶模光的不同传感特性以及气体吸收传感原理，给出了温度、应力和气体浓度3种参量的计算式并进行了数值模拟，设计使用2个写入FBG的PCF作为传感器的传感解调系统，可以解决传感过程中基模和高阶模光的波长与光强交叉敏感问题。He Jianping等人[9]提出了一个同时使用局部和分布式混合光纤传感系统(ROTDR-FBG和BOTDA/R-FBG辅助系统)测量应变和温度的方法和原理,通过理论仿真和拉伸测试实验来验证。只要信号噪声低于5 %的水平，从理论分析获得的应变误差就是可接受的。OF-FBG传感器和内力测量用智能绞线的应变测量结果表明：应变非常接近实际的应变状态，温度测量的绝对误差与环境温度相比不到2 ℃。证明了通过使用一个多信号光纤传感器，应变和温度可以同时测量，且可用低成本解决耦合问题。

1.3 传感光纤选用

传感光缆内的光纤选择上除常规单模光纤(G.652)外，为满足测试精度等更高要求，保偏光纤、非零色散位移光纤(G.655)等已逐步进入选用范围。张红霞等人[10]利用保偏光纤对入射的线偏振光的偏振保持能力，通过白光干涉系统，实现准分布式应力、温度和位置传感。分析了SLD光源在不同驱动电流下的谱型分布及拟合曲线，光谱可用两个高斯函数相加来描述。仿真和实验结果表明：随着光源输出功率增加，在耦合点两侧对称分布着伪耦合点。当光源功率为15 mW时，伪耦合点的耦合强度比力致耦合点的耦合强度约小15 dB。贾振安等人[11]在理论上分析了布里渊散射谱线宽度对温度传感测量精度的影响机制，采用非零色散位移光纤(G.655)作为传感光纤，测出在一定温度变化范围内标定点的布里渊散射谱线宽度和频移值。结果表明：G.655光纤拟合曲线的线性度几乎为1(G.652为0.995)，且布里渊谱线宽度更小，随温度变化比较稳定，具有较高的传感精度，更利于长距离监测场传感精度的提高。

1.4 传感技术提升研究

为了实现应变和温度的准确测量，分布式传感光纤必须在使用前进行标定，确定其应变和温度响应系数。吕安强等人[12]提出利用金属管和恒温装置实现分布式传感光纤应变和温度同时标定的方法，设计了标定方案，计算了光纤应变与金属管线膨胀系数的关系，搭建了标定实验系统。在单模裸纤布里渊频移应变和温度响应系数的标定实验中，应变标定跨度620×10-6，温度标定范围35～75 ℃，得到单模裸纤布里渊频移的应变和温度响应系数分别为0.048 MHz/μm和1.06 MHz/℃，验证了该方法在小直径分布式传感光纤应变和温度同时标定的可行性和准确性。

在研究传感系统光纤激光器、光纤、光纤传感器性能的同时，优化光信号稳定性、测量分辨率、传感距离等传感辅助技术已成为另一个重要方向。宋牟平等人[13]采用正交偏振控制对参与受激布里渊散射的激励光和探测光信号进行偏振处理，抑制了受激布里渊散射的偏振相关性带来的接收信号偏振衰弱。最后实现了25 km普通单模光纤的分布式传感，在5 m空间分辨率下分别达到2 ℃的温度分辨率和30×10-6应变分辨率。陈信伟等人[14]设计了基于保偏光纤(PMF)偏振耦合原理的分布式保偏光纤应力传感系统。通过旋转半波片调节检偏器检偏角提高了系统测量灵敏度,通过优化检偏角,系统测量灵敏度为85 dB,最大空间分辨率为98 mm。系统实验中能检测大于1 000 m的保偏光纤,测量灵敏度和空间分辨率随光纤长度的增加而逐渐衰减,温度低于100 ℃时,其波动对测量影响很小,并在理论上分析了耦合强度和空间分辨率的测量值随耦合点距光纤出射端距离的增加而降低的原因。张超等人[15]采用一种基于双向分布式拉曼放大的BOTDA，对信号光进行拉曼放大以补偿光纤损耗及布里渊抽运波的消耗，光纤后端的测量分辨率明显得到改善，探测信号整体平稳，布里渊频移随温度变化的线性度非常好，完全符合实际温度传感的要求。温度传感距离达50 km，温度分辨率达0.6 ℃，空间分辨率为50 m。该系统保证了整段光纤的温度分辨率，克服了传统BOTDA 光纤后端信号急剧下降的弊端。毕卫红等人[16]利用前向拉曼抽运和后向拉曼抽运方式对微弱布里渊散射信号的放大作用，解决了BOTDR系统中传感距离受限、信噪比和测量精度受影响的问题。实验结果表明:后向拉曼放大的受激布里渊散射阈值要高于前向拉曼放大的受激布里渊散射阈值，且采用后向拉曼放大方式不会受到二阶布里渊散射谱线的影响，并有效减小了受激布里渊散射效应的干扰，最终使整个BOTDR系统的信噪比得到提高。后向放大中，随着抽运光功率的增加，无论是斯托克斯光(Stokes)还是瑞利光的增益都会一直增大。当抽运功率为1 000 mW时,后向抽运放大增益可达16.33 dB，有利于对布里渊背向散射信号持续放大。

在解决系统中温度和应变交叉问题和提升计算精度方面，雷杨等人[17]提出了一种联合受激布里渊散射和后向瑞利散射来解决分布式光纤传感器系统中温度和应变交叉问题的方法，此方法依据光纤中散射与温度和应变的相关特性，分析了温度和应变对SBS，瑞利散射的影响。利用数值计算耦合模方程求解出在泵浦光入射端接收到的SBS信号光功率和后向瑞利散射光功率。由应变补偿并解调SBS信号光功率获得温度信息，在空间分辨率为10 m内能够得到2 ℃的温度精度。谢杭等人[18]采用温度和应变系数不同的双光纤进行双参量传感，选择G652裸光纤和G652成缆光纤(感应位置及长度相同)，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变，从而实现了温度分辨率25 ℃左右，应变分辨率约为200×10-6的双参量传感。韩国Hyungwoo Kwon等人[19]在对BOTDR的系统实验中分析了两个不同的非线性拟合方法。通过测量自发布里渊频率，比较了洛伦兹拟合和沃伊特拟合,证实了洛伦兹拟合的准确性高于沃伊特，并使用相干探测系统远程分布式测量远程光纤36 km。利用声光调制器改善光脉冲的消光比，使用洛伦兹适合算法成功地测量了布里渊频移，提升了光纤温度和应变的计算效率。

在利用数值模拟受激布里渊散射的研究中，张聪等人[20]基于受激布里渊散射Langevin噪声模型，通过近似的三波耦合方程组，采用了时域有限差分法，对光纤中受激布里渊散射过程进行数值模拟计算。数值模拟中，在一定的抽运入射光作用下，把Stokes光作为起振光入射到光纤的另外一端，发现起振光的存在与否会影响到抽运光场、散射光场和声波场的时间空间振幅变化，即存在Stokes光时散射光的功率随时间趋于饱和而没有Stokes光时散射光功率随时间的近似线性变化。张美等人[21]对单频光纤放大器中SBS效应进行了理论分析和数值模拟，讨论了光纤长度、抽运功率、Tm3+掺杂浓度及增益光纤内温度分布等因素对SBS效应和输出功率的影响，总结出提高输出功率、有效抑制SBS效应的方法。搭建的全光纤掺铥光纤种子光源及放大器，高稳定性的全光纤掺铥激光种子光的中心波长为1 941 nm，信噪比约为60 dB。当掺铥放大器的抽运功率达到2.15 W时，激光的输出功率可以达到0.766 W。

2 分布式光纤传感系统的应用领域

分布式光纤传感系统已在油气管道火灾监测、油井开采、海底电缆、压力管道、隧道等[22,23]诸多领域发挥了其精确的监控保障作用。在创新应用研究中， Mirzaei A等人[24]利用ROTDR和BOTDA传感器，研究了精确的石油管道测漏系统，通过监测因石油泄漏引起管道周围环境的温度变化确定其泄漏位置，具体位置由检测光和背散射激光脉冲之间的时间差确定。BOTDA和ROTDR传感器的瞬态响应是从溶液质量、土壤和光缆的能源及热传导数据中获得。结果表明：实测数据与BOTDA和ROTDR传感器的实验结果一致，证明了通过光纤泄漏传感器测量泄漏流量方法的可行性。在石油管道运输的源头，石油开采过程中同样需要光纤传感系统的辅助。Peng Gaoliang等人[25]提出了一种基于光纤监测油井包含泡沫部分工作液面的新方法。该方法利用不同媒介中的热传导系数差异原理及拉曼光散射。所用分布式温度传感器由光纤和耐热光缆组成,可以放在油管—套管环形空间。系统根据测量温度的快速变化, 可以准确识别空气与泡沫、泡沫与液体之间的界面、以此作为管道液面的重要参数，合理确定油井产油计划，布里渊散射原理同样适用于智能电网在线监测方面的应用。连纪文等人[26]利用BOTDA测量技术，设计了一种应用于110 kV输电线路中同时测量光纤分布式温度和应变的OPPC结构，可反映任意一点的温度和应力应变分布状况，对耐张线夹和应变异常部位的实时监测提升了线路监测的技术水平。

除了在陆地重要领域中的应用外，随着大陆与岛屿间互联、洲际间互联的需求增加，基于布里渊散射的温度—应变传感技术在海底电缆的环境监测领域得到了广泛重视。吕安强等人[27]利用BOTDR对110 kV高压光纤复合海底电缆中的复合光纤进行了应变(恒温、加砝码)和温度(恒应变、变温度)标定实验，比较了不同光纤布里渊频移的应变/温度系数和初始频移的区别，利用频移分布曲线进行接续点精确定位的方法，通过监测海缆的实际运行状态和数据分析得出：海缆光单元中不同光纤的布里渊频移—应变—温度系数基本相同，约为0.05 MHz/10-6和1.05 MHz/℃，但初始频移差别较大，变化范围约20 MHz；兼顾海缆沿线的海底地形、地质、负荷电流、不同季节的洋流、环境温度等因素，可提高应变和温度监测精度。李永倩等人[28]在110 kV三相单芯高压光电复合海缆的基础上，首次实现了将BOTDR系统、船舶自动识别系统(AIS)和视频监控系统(VMS)相结合，设计了3维立体实时在线监测系统，可以对引起海缆故障的肇事船舶进行录像、定位及确认。且详细分析了BOTDR测试获取的海缆温度和应变数据，为后续对海底电缆传输性能及稳定性的影响研究提供了参考基础。

3 分布式光纤传感研究方向展望

依据光纤传感器、传感光纤、传感技术辅助研究等方向的研究与发展现状分析，提出未来基于布里渊散射的分布式光纤传感系统可能的主要研究方向：1)高温油气井监控、海底电缆监控等涉及多参数监测系统的集成解决方案；2)针对温度、应变等参数的高精度、高空间分辨率、高频率分辨率和动态特性的快速数据采集算法和信号处理算法研究；3)解决单光纤温度、应变等参数间交叉敏感方面的研究；4)超长距离分布式光纤传感器及监测系统的研究；5)融合分布式3维监测感知体系，多参数立体化监控研究； 6)降低基于布里渊散射的分布式光纤传感系统成本，实现应用领域多样化。

4 结束语

本文通过以布里渊散射理论分析、光纤传感器分类及传感光纤组成的分布式传感技术系统结构为基础，总结和分析了围绕光纤传感技术的研究进展。着重介绍了分布式光纤温度传感器在油井、海底电缆等领域的应用。为今后分布式光纤传感温度、应变传感的研究和工程应用提供相关的有益参考和借鉴。

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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

深圳市技术攻关项目(重20150145)

TP 212

A

1000—9787(2017)04—0001—04

王传琦(1984-)，男，博士，工程师，主要从事光纤传感器、激光束表面改性等研究工作。