光纤传感器在管道监测中的应用

光纤传感原理

当光在光纤中传输时，光脉冲和光纤分子发生相互作用而散射，散射光由瑞利散射、布里渊散射、拉曼散射3部分组成。其中，瑞利散射光的频率不发生改变，布里渊散射光和拉曼散射光的频率发生改变。这3种散射光分别对振动、应变、温度敏感，可以实现对光纤沿线多参数的实时监测。

瑞利散射

瑞利散射是光在传播过程中与光纤介质中的微观粒子发生弹性碰撞引起的弹性散射，一般用来监测光纤的损耗。如果窄线宽激光器产生的入射光的相干长度足够长，入射脉冲光可以与各个位置返回的后向瑞利散射光发生干涉。当管道沿线有振动发生时，由于弹光效应使该处光纤的折射率发生变化，后向散射光的相位发生变化，干涉条纹也随之改变。系统采集振动事件前后的干涉信号相减，就可以得到包含振动事件的特征和位置信息。

布里渊散射

光纤中传播的光波与声波相互作用，其中后向散射光相对入射光发生频率偏移，布里渊散射光的频率偏移量与光纤轴向的应变和温度呈线性关系，通过测量布里渊散射光频率的偏移量就可以实现对光纤轴向应变的测量。

布里渊散射光对温度和应变同时敏感，试验测得的温度系数CT约为应变系数 Cɛ 的20倍，布里渊散射对应变更敏感，而且温度变化是慢速变化，应变是快速变化，因此，工程应用中主要利用布里渊散射测量应变。

拉曼散射

入射脉冲光与光纤分子发生非弹性碰撞，并进行能量交换造成散射光频率改变。其中，频率降低的散射光为斯托克斯光，升高的为反斯托克斯光，这就是拉曼散射。反斯托克斯的强度与温度相关，斯托克斯光的强度不随温度改变。基于拉曼散射的分布式光纤测温系统的温度需要一段温度确定、光纤参数一致的定标光纤进行定标，直接测量获得的只是光纤沿线的温度趋势，只有进行温度定标后的温度才是真实的环境温度。

光纤温度感知

光缆埋设于管道周围，其温度同时受地温和管道温度影响。环境温度一般 24 h 呈正弦函数变化，但由于土壤的保温作用，光缆所处的土壤温度场一般不发生明显变化。但管道运行温度和地温会以年为周期呈正弦变化，通过温度测量可以实现管道运行状况的实时监测。

温度变化的测量

当管道沿线光缆偏离管道或局部土壤热参数变化时，管道、土壤及环境的热平衡发生变化，则光缆的温度会与前后管段的温度发生显著变化。通过分析单次测量中温度变化的突变点可以实现对管道沿线温降异常区域的识别，实现对热油管道流动可靠性的精准预测。利用拉曼测温设备对某管道10km 伴行光缆进行测温试验，结果表明在 4 400~4 800 m 范围光纤温度显著下降，现场调查表明该处光缆埋深过浅，受地表环境温度影响较大。