电子科技大学：《光电信息检测 Optical Information Detection》课程教学资源（课件讲稿）工程案例六：分布式光纤振动传感系统

工程案例：分布式光纤振动传感系统 。内容提要： ●在光电信息检测的行业工程应用实践部分，设置 “分布式光纤振动传感系统”。首先介绍分布式 振动传感系统需求背景，再分别从基本原理，系 统组成，关键技术，技术难点四个方面进行阐述， 最后展示整个系统系统实物图。 6

工程案例：分布式光纤振动传感系统  内容提要： ⚫ 在光电信息检测的行业工程应用实践部分，设置 “分布式光纤振动传感系统”。首先介绍分布式 振动传感系统需求背景，再分别从基本原理，系 统组成，关键技术，技术难点四个方面进行阐述， 最后展示整个系统系统实物图。 6

引言： 。行业工程应用实践是《光电信息检测》课程和实际 应用相结合的一个成果展示。本工程案例来源于我 们的科研项目，拟从需求背景、基本原理、技术实 现途径、关键技术及解决措施、研制难点等方面对 该案例进行详细的阐述

引言：  行业工程应用实践是《光电信息检测》课程和实际 应用相结合的一个成果展示。本工程案例来源于我 们的科研项目，拟从需求背景、基本原理、技术实 现途径、关键技术及解决措施、研制难点等方面对 该案例进行详细的阐述。 7

需求背景 全球光纤传感器市场(US$billion) 140 120 115 100 104.2 95.2 80 88.1 82 77 60 40 20 0 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2014-2019年光纤传感器的市场增速逐步提升，年增长率将突 破10%。光纤传感器应用于各行各业，如石油、天然气、汽车、制 造业、消费电子、建筑、航空和船舶等。此外，光纤传感器也渗 透于不同的新应用，例如军事和生物医学传感器。全球各地的医 8 院都期望采用先进的医疗设备，以提高对病人的诊断、监测和治 疗的水平

需求背景 2014-2019年光纤传感器的市场增速逐步提升，年增长率将突 破10%。光纤传感器应用于各行各业，如石油、天然气、汽车、制 造业、消费电子、建筑、航空和船舶等。此外，光纤传感器也渗 透于不同的新应用，例如军事和生物医学传感器。全球各地的医 院都期望采用先进的医疗设备，以提高对病人的诊断、监测和治 疗的水平。 8

需求背景 60000 25 油气管道泄露 事故频繁发生 40000 20 20000 10 现有管道里程 数不断增加 0 0 200 2007 008 201 2012 013 014 015 政府对检漏系统 执行的严格法规 里程(km)鲁事故数里（次） 2022年全球石油和天然气管道泄露检测市场规模预计将达 33.8亿美元，2016-2022年期间的符合年增长率为6.9% 9

需求背景 9 油气管道泄露 事故频繁发生 现有管道里程 数不断增加 政府对检漏系统 执行的严格法规 2022年全球石油和天然气管道泄露检测市场规模预计将达 33.8亿美元，2016-2022年期间的符合年增长率为6.9%

需求背景 2016年安防行业产值结构图 视频监控962亿元 出入口控制266亿元 安防工程产值 3100亿元 安防产品 楼宇对讲/智能家居193亿元 安防行业总 产值1900 产值5400亿元 亿元 防盗报警152亿元 报警运营服 平台67亿元 务及其他产 值410亿元 实体防护及其他67亿元 2016年总产值达5400亿元人民币。预计未来几年将保持 25%的增长速度。 10

10 需求背景 2016年总产值达5400亿元人民币。预计未来几年将保持 25%的增长速度。 安防工程产值 3100亿元 报警运营服 务及其他产 值410亿元 安防产品 产值1900 亿元 安防行业总 产值5400亿元 视频监控 962亿元 出入口控制 266亿元 楼宇对讲/智能家居 193亿元 防盗报警 152亿元 平台 67亿元 实体防护及其他 67亿元 2016年安防行业产值结构图 10

需求背景 振动传感元件开关 ® ® 无线通信 雷电 蛋动达到开关本身要来 做发电里大小要化产生 脉沖电路 灵敏度低 ® 布置繁杂 @ 易受电磁干扰 @ 单点测量 11

需求背景 11 灵敏度低 单点测量 布置繁杂 易受电磁干扰

需求背景 地下隧道 机场安防 矿井 航空航天 石化管道 桥梁建筑

12 需求背景 地下隧道 机场安防 矿井 航空航天 石化管道 桥梁建筑

主体内容： 。从分布式光纤振动传感系统五个方面来阐述 ●基本原理 ·技术实现途径 。关键技术 。技术难点 ·系统测试 13

主体内容：  从分布式光纤振动传感系统五个方面来阐述 ⚫ 基本原理 ⚫ 技术实现途径 ⚫ 关键技术 ⚫ 技术难点 ⚫ 系统测试 13

Φ-OTDR分布式振动传感系统基本原理： WwWW 环形器 振动 窄线宽光源 声光调制器 传感光纤 信号采集与处理 探测器 系统 WW wM Tw 光脉冲注入到被测传感光纤，光在光纤中传播时发生散 射，由检测器探测返回的瑞利散射光，并经过信号采集与处 理后得到振动信号曲线，从而实现对振动信号的监测。 14

Φ-OTDR分布式振动传感系统基本原理： 14 窄线宽光源 声光调制器 传感光纤 探测器 信号采集与处理 系统 环形器 振动 光脉冲注入到被测传感光纤，光在光纤中传播时发生散 射，由检测器探测返回的瑞利散射光，并经过信号采集与处 理后得到振动信号曲线，从而实现对振动信号的监测。 …

技术实现途径 ,直接探测 一 束光脉冲注入到传感光纤中，在光纤各处产生背向散射 光。把光纤半脉宽内发生干涉的区域分成N段，每一段都看作 是一个离散的反射镜，反射镜可看作是在特定长度内多个瑞利 散射中心激发的背向散射光叠加的矢量和。 在长度为处，N个反射镜生成的散射光干涉场可以表示为： m+N-1 E=E,∑（∑)eape2pN-am D=m q=0 该式代表的曲线呈波动频率极高的锯齿波形，进行后续的优 化处理可获得有效的外界振动信号信息。 15

技术实现途径 15 在长度为 处，N个反射镜生成的散射光干涉场可以表示为： ➢ 直接探测 一束光脉冲注入到传感光纤中，在光纤各处产生背向散射 光。把光纤半脉宽内发生干涉的区域分成N段，每一段都看作 是一个离散的反射镜，反射镜可看作是在特定长度内多个瑞利 散射中心激发的背向散射光叠加的矢量和。 1 2 0 0 pq m N P j p L j p L t pq p m q E E a e e e    + −  −   − = = =   ( ) ( ) 该式代表的曲线呈波动频率极高的锯齿波形，进行后续的优 化处理可获得有效的外界振动信号信息