分布式光纤传感系统及其在管线检测中的应用教学提纲.doc

分布式光纤传感系统及其在管线检测中应用
摘要：布里渊时域分析技术（BOTDA）是近年来研发成功的一种分布式光纤传感技术，已开始广泛应用于各种结构体和工业设备等的温度、应变检测。而Neubrex公司在该技术基础上开发了新一代应变测量技术——脉冲预泵浦BOTDA（简称PPP-BOTDA），实现了10cm的空间分辨率和±7.5με的应变测量精度。本文重点介绍了PPP-BOTDA（测量温度和应变）的机理与系统构成，并通过工程实例介绍该技术在管线检测中的应用。
关键词：布里渊时域分析技术；光纤传感；PPP-BOTDA；管线检测
1 引言
基于受激布里渊散射的布里渊光时域分析技术（Brillouin Optical Time-Domain Analysis，简称BOTDA）最初由T. Horiguchi等人于1989年提出，用于光纤通信中的光纤无损测量。当BOTDA系统采用的泵浦脉冲宽度减小时，布里渊频谱发生增宽，同时峰值信号的强度也会随之降低。因此，仅通过减小脉冲宽度来提高空间分辨率的方法难以实现。X. Bao等通过在泵浦脉冲光前面添加泄漏光的方法，可同时获得高空间分辨率和窄的布里渊频谱，在实验室环境下实现了1ns脉冲宽度的受激布里渊散射，获得了厘米级的空间分辨率。但进行监测时，传感光纤长度改变以后需要对测量设置进行修改，并且随着监测范围的增大，信号的噪音也随之增大，使得长距离检测难以实施，这两个技术缺陷的存在，使得该技术难以商业化应用。日本Neubrex公司光纳仪是突破了泄漏光泵浦脉冲的理论缺陷，利用脉冲预泵浦技术，成功地使测量空间分辨率和精度都得到了很大的提高。PPP-BOTDA（Pulse-PrePump Brillouin Optical Time Domain Analysis）的空间分辨率小于10cm、应变测定精度达到了±7.5με、重复性为±2.4με。
2 BOTDA的原理
光在光纤中传播，大部分光是沿前向传播的，但由于光纤材料的光学性质存在微观不均匀性，或者由于光纤本身的光特性，入射光束的一小部分会产生偏离原来的传播方向产生散射现象。光纤内光的散射现象主要有瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射3种，如图1所示。

图1 光纤内光的散射的3种形式
基于布里渊散射的分布式光纤传感系统由于在实现远距离和高精度探测方面均优于基于另外2种散射的传感系统，因此有很大的发展前景。随着该技术不断运用和推广，该技术所达到的探测距离和探测精度也都在不断提高，NBX-6050就是一种基于BOTDA的探测系统，它在距离上达到了25km，在精度上温度达到±1℃，应变达到了±7.5uε。
BOTDA( Brillouin Optical-fiber Time-Domain A-nalysis)，即布里渊光纤时域分析技术，它是布里渊光谱分析技术与光学时域反射(OTDR)技术的融合，其基本原理如图2所示。
图2 BOTDA 光纤传感系统原理框图
布置于光纤两端的可调谐激光器分别将一脉冲光(泵浦光)与一连续光(探测光)注入传感光纤，当泵浦光与探测光的频差与光纤中某区域的布里渊频移相等时，在该区域就会产生布里渊放大效应(当2束泵浦光在光纤中反向传播，并且二者的频差等于布里渊频移时，弱的泵浦信号将被强的泵浦信号放大，称之为布里渊受激放大作用)，两光束相互之间发生能量转移。
受激布里渊散射实际上是一个三波耦合的过程，即入射光(泵浦)、受激发的声波以及散射光波(斯托克斯波)之间的相互作用。通常可以描述为，泵浦光由于电致伸缩在入射介质上产生一个压力波并导致介质密度的波动，从而改变了磁化率。即入射波激发了声波，声波又对入射波产生了散射，而散射过程则产生了斯托克斯波，斯托克斯波相对于入射波产生了频移，其中背向布里渊散射的布里渊频移最大，即VB=2VAnλ。
式中:VA为声速；n是纤芯的折射率；λ是泵浦光的真空波长。对于普通的硅玻璃光纤 n=1.46，VA=5945m/s，当泵浦光波长λ=1.55μm时，布里渊频移VB=11.2GHz。
根据光纤布里渊频移与光纤应变、温度之间的关系，对两激光的频率进行连续的调节，监测从光纤一端耦合出来的连续光功率，可以确定光纤各小区间上能量转移达到最大时的频率差，从而得到温度、应变信息，实现分布式测量。BOTDA 技术中，光纤的应变量、温度变化与布里渊频率漂移量的关系: VB(ε，T)= VB(0)+(T-T0)*C12+(ε-0)*C11。
式中:VB(0)是指在ε=0，温度为T0时光纤布里渊频率漂移量；VB(ε，T)是指在应变为ε，温度为T时光纤布里渊频率漂移量；C12为温度影响系数，C12=dνB(T)/dT；C11为应变影响系数，C11=dνB(ε)/dT。
3 PPP-BOTDA 工作原理
脉冲预泵浦布里渊光时域分析法（PPP-BOTDR）通过改变泵浦光的形态，在测量的脉冲光发出前，增加一段预泵浦脉冲波来激发声子，测量原理图见图3 所示。

图3 PPP-BOTDR 工作原理图
预泵浦脉冲描述如公式(1)所示：

这里D表示泵浦脉冲光持续时间，而Dpre表示脉冲预泵浦光持续的时间。Cp表示脉冲光功率，而Ap+Cp表示脉冲预泵浦光功率。
通过适当设置脉冲光与脉冲预泵浦光的功率比即消光系数（Rp），可以降低多余的输出功率，见公式（2）。

PPP-BOTDA的优势：
1) 在1ns的脉冲光入射之前，导入一个13ns宽的预泵浦脉冲，布里渊增益频谱的半值全宽将会减少到80MHz（从仅使用脉冲光时的1GHz）；
2) 适当设置脉冲光和脉冲预泵浦光的消光系数，来自脉冲预泵浦光的信号能够被有效控制，实现10cm的空间分辨率与7.5με高测量精度。
4 工程实例
众所周知，很多情况下输油、输气管线经常通过地层条件复杂且地质灾害频发的区域，如经常发生滑坡、泥石流、地震的地区以及常年冻土地区。这些地质灾害经常造成地下管线的故障、破坏、泄漏，从而带来经济损失和生态破坏等严重后果。此外，正在营运的管道由于内部流体的腐蚀和侵蚀，也将导致自身的损坏。
4.1 管线检测的现有技术与发展趋势
对管道进行结构和功能上监测对于管线的管理和安全运行显得尤为重要，定期给管道管理部门提供管线运行过程中结构和功能上的参数将有助于⑴预防管线故障；⑵及时探测管线损坏及所在位置；⑶确保管线维护和修复行动及时有效。通常进行管线监测的结构方面的参数包括管道的应变和曲率，而功能上监测的内容为分布式温度、泄漏和管线损坏。
目前，国内外应用于管线工程监测的技术和方法主要是传统的电测式传感器，而管线的长度一般都是几公里以上，这样几千只传感器从布点连线到数据采集不仅复杂且成本高。另外，受到布点数量的限制，无法全面反映管道的结构和功能情况，现在国内外应用于管线工程监测的技术和方法正在从传统的点式仪器监测向分布式、自动化、高精度和远程监测的方向发展。近年来兴起的光纤传感器具有抗电磁干扰、防水、抗腐蚀和耐久性长等特点，特别是分布式传感光纤，以其独特的优点在管线工程监测中有着很好应用前景，具有如下优点：
①分布式：可以准确测出光纤沿线任一点上的应力、温度等信息，克服传统点式监测漏检的弊端，提高监测成功率。
②长距离：光纤既作为传感体又作为传输体就可以实现长距离、全方位监测和实时连续控测。
③耐久性：传统的工程监测一般采用应变片等电测技术，传感部件易受潮湿失效，不能适应一些大型工程长期监测的需要。光纤的主要材料是石英玻璃，与金属传感器相比具有更好的耐久性。
④抗干扰：光纤是非金属、绝缘材料，避免了电磁、雷电等干扰。
⑤轻细柔韧：光纤的这一特性，使它避免了匹配的问题，便于安装埋设。
⑥精度高：测量精度达7.5微应变/0.4摄氏度，重复性达2.4微应变/0.1摄氏度。
Neubrex凭借“NBX-6050高性能仪器+FutureNeuro传感光纤+反分析数值模拟”的综合技术优势，开发了针对针对管道内壁侵蚀的分布式监测系统，并已得到了实际应用。
4.2 管线检测的基本原理

图4 光纤铺设示意图
分布式光纤传感器采用螺旋状铺设在蒸汽管道表面，管道的局部因侵蚀而变薄，其外表面应力应变分布会产生相应的变化，通过检测铺设光纤的应变值来分析管壁厚度的变化。

图5 三维数值分析结果
脉冲光在传输的同时，不断产生背向散射光，由时钟电路计算入射光和接收到散射光的时间差，可实现散射点的定位。假设在t=0时刻，脉冲光入射到光纤，经过时间t接收到散射光，则光传播的距离为L=(C/n)*t,其中，C为真空中的光速，n为光纤的折射率。散射光沿与入射光相同的路线返回，则散射点所处位置为Z=L/2=Ct/2n, 这样便实现了散射点的定位。
管道监测中，实测光纤位置和被测体的对应关系十分重要。将制冷剂喷在所需位置的光纤表面，运行NBX-6050，以某一频率观察布里渊散射光分布变化情况，只需1～5秒，即可判断出该点所对应的光纤坐标。该方法的定位误差可控制在5cm左右。

图6 制冷剂喷涂示意图

图7 某一频率SBS曲线
利用制冷剂喷涂的定位方法，可以快速而有效地实现光纤坐标和实物坐标的对应。
4.3 检测结果分析
在正常发电期内实测数据结果具有很好的稳定性，多次测量的结果，重复性误差具有正态分布特征。
图8 应变光的测量结果及误差分析
通过对管道表面应变的测量，定量地分析管道内部侵蚀发展状态，对异常情况进行判断。从光纤传感结合反分析所获得的壁厚数据得出光纤传感结合反分析技术测得的最小壁厚为10.3mm。
5 结论和建议
本文对脉冲预泵浦BOTDA新技术的工作原理进行了介绍，并对分布式光纤的应变测量精度和空间分辨率进行了验证，最后通过发电厂蒸汽管道表面应变监测实例介绍，证实脉冲预泵浦BOTDA 技术在管道内壁侵蚀监测的可靠性。并通过实例得出下面结论：
⒈ 脉冲预泵浦布里渊光时域分析法（PPP-BOTDR）通过改变泵浦光的形态，在测量的脉冲光发出前，增加13ns宽的预泵浦脉冲波来激发声子。
⒉ 通过现场验证，适当设置脉冲光和脉冲预泵浦光的消光系数，来自脉冲预泵浦光的信号能够被有效控制，实现10cm的空间分辨率，应变测定精度达到了±7.5με。
⒊ 通过对管道表面应变的测量，定量地分析管道内部侵蚀发展状态，对异常情况进行判断。
通过以上研究可以发现，利用分布式光纤测量温度和应变有不足之处，应用时需加以考虑: ①利用分布式光纤测量温度时要求所测环境温度为渐变的，不能变化太快，否则会导致测量结果偏小；另外，由于受到测温光纤保护层耐热强度的影响，对于高温的测量光纤也有一定的局限性；②利用分布式光纤所测得的应变为该监测段的平均应变，对于有应力集中现象的结构是不能进行精确监测的，而且对于所测的应变方向只能都处理为沿光纤铺设方向，这为测量带了误差，运用时需要考虑到；③基于BOTDA 技术的光纤测量要求被测光纤传感器必须是一个完整的回路，所以不能探测光缆的断点，因而被测光缆必须完好，不能有断点，这对光缆的铺设和保护要求较高，使得其应用条件受到一定限制。
参考文献
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