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基于分布式光纤传感器透射/反射测量的碳氢化合物泄漏定位
摘要
一种新型的基于透射和瑞利背散射功率测量的分布式光纤传感器，用于石油以及烃类泄漏检测和定位，光纤具有成本低，同时传输量大，数据稳定，受外界干扰小等优点。传感器结构包括作为敏感元件的聚合物，其在碳氢化合物中的膨胀是可逆的并且可以引起光纤中的弯曲损失，主要应用的是它的溶胀效果。损耗区域的位置由沿着测试光纤的扰动的不同位置的归一化反射和瑞利背向散射功率之间的独特关系确定，这样就可以很精确的得到扰动的具体位置，然后做出相应的处理。实验证明了2.844公里长度的单模光纤在强干扰的情况下估计精度为plusmn;1m，具有很高的精度。
关键词：分布式光纤传感器；烃类泄漏检测； 瑞利散射
1 简介
利用分布式光纤传感器实现了光学传感技术的最高艺术水平，这些传感器允许沿着测试光纤测量所需要的参数。分布式弯曲光纤传感器对压力，温度，位移等的测量灵敏度很高，其中被测量的物理量可以转化为光纤的横向形变，本文就是利用敏感元件的溶胀造成光纤的横向形变达到检测的目的。由于光纤弯曲而发生光损失的区域通常是通过光时域反射计（OTDR）或频域反射测量来定位的。后者所采用的技术为相干（COFDR）和非相干（IOFDR）技术。所有这些方法都是利用时间或频率调制的光源，沿着测试光纤可以实现同时定位多个扰动的效果。同时，就某些实际情况来说，重要的是检测和定位那些很少见但是有时也会发生的突发情况，通常指的是那些单次不经常的事件，例如管道泄漏，火灾或爆炸，这些事件虽然是小概率事件，但是一旦发生就会造成无法预估的损失，所以本方法还是有很大的实用价值的。
光栅是在裸光纤上刻蚀出来的，感应温度采用光信号传输，不受电磁干扰。但对应力很敏感，不能承受拉力。光纤光栅是在裸光纤上用紫外线刻蚀再高温退火制作出来的，寿命为8-10年，经常会出现个别损坏。
对于这样的情况，我们提供了新颖简单并且便宜的光纤传感器，其利用未调制的光源，功率检测器和光纤传感器。本文介绍了用于碳氢化合物泄漏检测和定位的分布式光纤传感器。为了能够使弯曲损耗发生，采用在烃类化合物影响下会发生溶胀效应的敏感聚合物。基于透射和瑞利背散射功率的测量，提出了利用损失引起的光纤传感器的扰动来进行定位的新颖原理，简单来说就是烃类化合物引起敏感元件的溶胀，然后敏感元件发生形变导致光纤发生扰动，然后根据扰动可以进行定位。
2 扰动定位原理
光纤传感器示意图如图2.1所示。 由ASE源发射的CW光源，其波长为1550nm，线宽大约为几nm，通过3dB耦合器发射到2.844 km长的标准通信单模阶跃折射率光纤中。发射的光功率大约为1.1mW，用OTDR测量测试光纤alpha;的衰减系数为0.19dB/ km。光隔离器用于消除反射对ASE光源造成的影响。所有光纤的末端全部浸入用来减少反射的影响。标准功率检测器用于测量透射和瑞利背散射能量，所有这些器件共同组成了这次的光纤传感器。
图2.1 光纤传感器示意图
本文所提出的这种损耗定位方法是基于归一化传输和瑞利背散射功率之间的独特关系实现的，利用这种独特的关系可以精确的定位到损耗的位置。这些关系对于沿传感光纤的损耗引起的干扰的不同位置也是不同的，干扰产生的位置与这种关系之间是一一对应的。
例如，如果在感测光纤的远端发生弯曲损耗（见图1），则它们会导致发射功率的比例减小。然而，由于所有的光纤长度都参与后向散射，所以它们不会改变瑞利的后向散射能力，并且发射的功率分布与未受干扰的光纤相同。然而，如果我们将感测光纤弯曲到靠近光源端，传输功率的降低的同时伴随着瑞利背散射功率的降低。这是因为在ASE源端附近引起的损耗导致前向传播功率降低了，因此降低了瑞利背散射功率，所有这些关系都是环环相扣的，一个值改变就会影响到结果测试。
此外，当后退散射功率通过损耗区域时，反向散射功率降低。此外，如果我们在中间弯曲传感光纤，则光纤的前半部分更靠近光源端的地方仍然以与未受干扰的光纤相同的方式散射光，但是比剩下的一半散射的光线较在中间引起的损失要少。因此，一般来说，对于相同的损失引起的扰动，归一化瑞利背散射功率的降低取决于过剩损耗区域的位置。对于在沿着测试光纤的两个不同距离处发生损耗时，归一化发射和瑞利反向散射功率之间的关系的数值模拟，我们计算了长度为l1和l2的两个瑞利散射光纤段的透射和反射，由短损失诱导部分分开。每个瑞利散射光纤段的功率反射系数为
Rdelta;L=S(alpha;s/alpha;)[1 minus; exp(minus;2alpha;delta;L)]/2， （1）
其中alpha;s是由瑞利散射引起的衰减系数alpha;是测试光纤的总衰减系数，delta;L是光纤段的长度，步进折射率光纤的再捕获系数S定义为
S = b(n12minus;n22)/n12 （2）
这里b是取决于光纤的波导特性的参数，对于单模阶跃折射率光纤通常在0.21-0.24的范围内，n1和n2分别是纤芯和包层的折射率。
引入参数Salpha;=S（alpha;s/2alpha;），光纤段的传输和后向散射系数可以分别写成T1，2=exp（-alpha;l1，2）和R = Salpha;[1-exp（-2alpha;l1，2）]。?rlm;短光纤受到监视条件的影响，导致光损失并具有传输参数Tslt;=1。
我们假设散射部分的强度相对较弱，散射光的一部分非常小。 这就允许我们做一些简化的分析，在一定程度下可以忽略双向多重散射。必须考虑与光纤源和远端的系数r1和r2的菲涅耳反射，因为即使是弱反射也可以与背散射相当，这样就不能忽略了。然而，我们可以假设r1，2lt;lt;1这样就可以忽略多重反射带来的影响了。在这种情况下，该光学系统的透射T和后向散射系数R可以写为
T=T1TST2=TSeminus;alpha;L, （3）
R=r1 Salpha;(1minus;eminus;2alpha;l1) T12TS2Salpha;(1minus;eminus;2alpha;l2) T12TS2T22r2， （4）
式中L=l1 l2是传感器的总长。
归一化系数定义为Tnorm=T/Tmax和Rnorm=R/Rmax，其中当TS=1时，可以从上述等式评估Tmax和Rmax。这个导致Tnorm=Ts （5）
Rnorm
=. （6）
归一化的透射Tnorm和瑞利反向散射Rnorm功率之间的关系可以从等式（5）和（6）发现：
Tnorm2
= （7）
图2.2示出了在距离测试光纤的源端的距离l1，n =nL处发生附加损耗时的数值计算的结果，其中n = 0,1，...，10，弯曲位置之间的间隔L = 284.4m。传输和反向散射的能量相对于它们的初始未受干扰的值进行归一化。在计算中使用了单模光纤的b = 1/4.55的典型值。对于（alpha;s/alpha;）= 0.68，获得的实验数据和理论数值之间具有良好的一致性，对于光纤来说实验结果是非常合理的，在实验中使用了总衰减系数alpha; = 0.19 dB/km。在我们的实验中，分别等于4.7times;10-6和1.5times;10-5的感测光纤的源端和远端的反射也被计算在内。我们可以看到，位于极端参数曲线l1，0和l1，10之间的每一个点唯一地唯一地定义了穿过该点的一个参数曲线。因此，为了用所提出的方法来定位扰动，我们需要找到穿过坐标等于测量的归一化瑞利反向散射和发射功率的点的曲线。损失区域l1的位置也可以直接从公式（7）中找到：
l1=- （8）
图2.2 沿着测试光纤在不同等间距位置处引起的弯曲损耗的归一化透射和瑞利背散射功率之间的理论关系。
另一方面，众所周知，多余的弯曲损耗取决于扰动的幅度，扰动的幅度越大，所测得的弯曲损耗越明显。因此，传输功率的降低可以用于测量某些空间域上的扰动的积分值。因此，所提出的方法提供了测试光纤中的单个损耗诱导的扰动的检测和定位。
利用扰动定位原理可以精确的定位到扰动发生的位置，为接下来的实验奠定了理论基础，可以准确判断石油烃类化合物具体的泄露位置，可以及时的采取防范措施。
3 实验结果与讨论
为了在汽油以及烃类化合物的影响下能引起弯曲损耗，使用了遇油可发生溶胀效应的聚合物作为特殊敏感传感器，这种聚合物的膨胀是可逆的。敏感元件的设计如图3.1所示。将光纤和可溶胀聚合物对齐在一起，并通过缠绕在其上的软线进行机械耦合。将光纤放置在聚合物中的小凹槽内，可以避免初始损失，但不会显着增加传感器的响应时间。
图3.1 光纤元件详细介绍
在所提出的烃类化合物传感器中使用白色丁基橡胶作为敏感聚合物。 该材料在高温下具有良好的抗老化性能和良好的化学稳定性。同时它还可以抗风化，抗阳光，抗臭氧，抗无机酸，抗氧化溶剂（酮和醇）和有良好吸水性。丁基橡胶在烃类化合物介质中能够吸收和溶胀但是却不会发生溶解并且能够显着改变其机械性能。聚合物的溶胀行为导致材料的物理尺寸的增加，其可以容易地转化为机械响应，然后将这种机械响应转化为光栅的形变，之后造成波长的改变，达到检测的目的。我们的研究表明，在汽油的影响下，丁基橡胶的体积可以增加2倍以上。此外，其行为是可逆的，即白色丁基橡胶可以在多个湿-干循环中使用，这样就降低了我们传感器的成本。在我们的实验中，我们在汽油影响下对传感器进行了测试，但是质量上相同的溶胀行为是丁基橡胶在一系列烃燃料中显示的。
图3.2 干湿循环期间的归一化传输功率（o-汽油影响， -干燥）
为了研究传感器响应时间，将位于距测试光纤源端2780米的20厘米长的敏感元件置于装有汽油的容器内。在汽油影响下，丁基橡胶膨胀并弯曲导致测试光纤发生损失。图3.2示出了在湿-干循环期间测试纤维的透射率的变化。
传输功率的减少表示碳氢化合物的存在并允许估计干扰的积分值。为了通过提出的方法来成功的找到扰动，我们需要找到归一化的传输和瑞利背散射能量之间的关系。干湿循环过程中的这些依赖关系如图3.3所示。对于在2780米任务（在光纤远端）（2844米）引起的损耗计算的理论依赖关系也在图3.3中显示。
图3.3 湿干循环期间归一化传输和瑞利背散射功率之间的关系（o-汽油影响， -干燥，实线-理论依赖）
我们可以看到，润湿和干燥的情况下对时间的依赖性实际上与理论预测一致。 因此，通过提出的方法，可以通过仅测量透射和瑞利背散射功率来发现扰动的位置。注意，一般来说，使用这种算法，我们只能定位一个单一的扰动，这种扰动可能会沿传感光纤出现。
为了通过这种方法估计扰动定位的精度，我们引入了强弯曲损耗，在测试光纤的远端使光纤传输减少了30dB以上。图3.4示出了归一化瑞利背散射功率的测量变化。
图3.4 在测试光纤远端附近引起的强损失的归一化瑞利反向散射功率的时间变化图
这些随机变量位于区间内（R0plusmn;2delta;R0），其中R0 = 0.936是平均值，2delta;R0 = 6times;10-4是该间隔的宽度。归一化瑞利背散射功率的标准偏差估计为1.5times;10-4。对于反射等于0（强扰动）的传输，参数曲线l1，10和l1，9的归一化瑞利反向散射功率之间的差异为∆R100=0.08（见图2）。由于参数曲线l1，10和l1，9对应于通过∆L=284.4 m分开的位置，使用以下等式，发现测试光纤的远端附近强扰动的最大定位误差为plusmn;1m：
delta;l100= . (9)
在等式（9）中通过使用归一化瑞利背散射功率的最大偏差delta;Ro来确定最大定位误差delta;l10<su
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