基于瑞利散射的分布式光纖傳感器的研究現(xiàn)狀

張昕　申雅峰　薛景峰

摘要： 主要介紹了幾種分布式光纖傳感技術(shù)中的基于瑞利散射的光時域反射（OTDR）技術(shù)、相干光時域反射（COTDR）技術(shù)和相敏光時域反射（OTDR）技術(shù)的基本工作原理，并分別介紹了這三種技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及優(yōu)缺點(diǎn)，提出了今后的發(fā)展方向和展望。

關(guān)鍵詞： 分布式光纖傳感器； 瑞利散射； 光時域反射技術(shù)

中圖分類號： TP 212文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.02.019

Current status of distributed optical fiber sensor

based on Rayleigh scattering

ZHANG Xin， SHEN Yafeng， XUE Jingfeng

（AVIC Beijing Changcheng Institute of Metrology & Measurement， Beijing 100095， China）

Abstract： The basic principle of optical time domain reflectometry （OTDR） technique， coherent optical time domain reflectometry （COTDR） technique and phase sensitive optical time domain reflection （OTDR） technology based on Rayleigh scattering are introduced. This paper respectively introduces the development status of the three technologies， summarizes their advantages and disadvantages， and puts forward the developing direction and prospect of future work.

Keywords： distributed optic fiber sensing； Rayleigh scattering； optical time domain reflectometry

引言分布式光纖傳感技術(shù)是目前國內(nèi)外研究熱點(diǎn)，它因具有全尺度連續(xù)性、網(wǎng)絡(luò)智能化、長距離、大容量、低成本等特性而廣泛受到關(guān)注。分布式光纖傳感技術(shù)按照光纖內(nèi)部信號性質(zhì)不同可分為基于瑞利散射的分布式光纖傳感、基于拉曼散射的分布式光纖傳感和基于布里淵散射的分布式光纖傳感。瑞利散射屬于彈性散射，相對于拉曼和布里淵散射有著更高的能量，因此更容易被檢測到，目前有很多基于瑞利散射的分布式光纖傳感技術(shù)方面的研究。利用瑞利散射信號的分布式光纖傳感多用于通信線路的故障定位、大型結(jié)構(gòu)的裂縫健康監(jiān)測和重要建筑物的入侵監(jiān)測等。圖1光時域反射技術(shù)原理圖

Fig.1The principle diagram of the optical

time domain reflection technology1光時域反射技術(shù)

1.1光時域反射技術(shù)基本原理光時域反射（OTDR）技術(shù)是1976年由Barnoski博士提出，是最早的分布式光纖傳感技術(shù)[1]，其原理圖如圖1所示，光源發(fā)出的連續(xù)光經(jīng)過調(diào)制器調(diào)制成窄帶脈沖光，脈沖光通過環(huán)形器進(jìn)入光纖，光在光纖里傳播的過程中發(fā)生瑞利散射，并經(jīng)環(huán)形器耦合進(jìn)入探測器。由于從脈沖光發(fā)射到接收其在光纖中某一位置的瑞利散射的時間相當(dāng)于光波從發(fā)射端到該位置往返傳播了一次，因此可以通過測量傳播時間計算該位置到發(fā)射端的距離以及該位置的峰值功率。得到的光纖沿線的瑞利散射曲線為一條指數(shù)衰減的曲線，該曲線表示出了光纖沿線的損耗分布，可用來檢測光纖的斷裂、彎曲等。

光學(xué)儀器第37卷

第2期張昕，等：基于瑞利散射的分布式光纖傳感器的研究現(xiàn)狀

1.2光時域反射技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀由于OTDR技術(shù)裝置簡單、測試時間短、精度高等特點(diǎn)，受到國外學(xué)者廣泛關(guān)注[24]。1980年Healey等提出基于光子計數(shù)器的光時域反射儀，將光時域反射計的范圍由25 dB提高到40 dB，數(shù)字方法使其相關(guān)電子產(chǎn)品得到簡化，并應(yīng)用于光纖故障定位系統(tǒng)[5]。2005年由美國Luna公司將SWI（swept wavelength interferometry）技術(shù)應(yīng)用到基于瑞利后向散射的溫度測量系統(tǒng)并在上百米的光纖中獲得0.1 ℃的溫度分辨率[6]。2006年Luna公司提出基于瑞利散射的超高空間分辨率的溫度傳感技術(shù)，用于現(xiàn)場測量高功率放大器模塊[7]。2007年該公司提出了市面上的分布式光纖波長干涉法使1 m光纖段上的測量溫度范圍達(dá)到850 ℃，該技術(shù)采用單模、黃金涂層光纖[8]。2008年該公司提出掃描波長的分布式光纖溫度測量的測長法，該方法應(yīng)用于核反應(yīng)器[9]。Palmieri等提出了一種新的分布式光纖傳感器用于靜態(tài)磁場矢量的測量。該傳感器是基于法拉第旋轉(zhuǎn)和瑞利后向散射場的極化狀態(tài)的分析，該傳感器測量的是磁場矢量在纖維方向上的投影，測量范圍是1.5 T，其相對精度可達(dá)7%，空間分辨率達(dá)3 cm[10]。朱濤等[11]提出通過使用二維邊緣檢測方法提高信噪比和空間分辨率的相位敏感OTDR系統(tǒng)。李志金等基于OTDR技術(shù)建立了拉曼散射分布式光纖多點(diǎn)測溫系統(tǒng)，提出循環(huán)解調(diào)方法，該系統(tǒng)能夠抑制溫漂噪聲積累，其空間分辨率小于3 m，溫度分辨率約為3 ℃，時間分辨力不大于3 min[12]。OTDR技術(shù)能夠連續(xù)顯示整個光纖線路的損耗相對距離的變化，適用于非破壞性測量，多用于電力系統(tǒng)檢測[1316]和混凝土裂縫監(jiān)測[1719]，但由于始終存在測量盲區(qū)[20]，從光纖兩端測出衰減值有差別，國內(nèi)該技術(shù)成熟的產(chǎn)品不多。2相干光時域反射技術(shù)

2.1相干光時域反射技術(shù)基本原理雖然OTDR技術(shù)在一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)對通信線路的實(shí)時檢測，但是其測量范圍較小，測量的光纖長度通常在100 km以內(nèi)。為使通信線路延伸，通常使用光纖放大器如摻鉺光纖放大器（EDFA）來補(bǔ)償信號光的傳輸損耗。EDFA對信號光進(jìn)行光功率補(bǔ)償?shù)耐瑫r也會產(chǎn)生自發(fā)輻射放大（ASE）噪聲，使背向瑞利散射信號功率無法被辨別，系統(tǒng)測量的信噪比大大降低。在這種情況下相干光時域反射（COTDR）技術(shù)顯現(xiàn)出其優(yōu)勢。通過相干檢測可以將微弱的瑞利散射信號從較強(qiáng)的噪聲中提取出來，使傳感距離大大延長，而且通過對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，還使得COTDR可以應(yīng)用于多跨超長距離的光纜線路測量。COTDR技術(shù)原理圖如圖2所示，在OTDR基礎(chǔ)上，采用高頻率穩(wěn)定的分布反饋激光器作為探測光源，通過調(diào)節(jié)驅(qū)動單邊帶調(diào)制器的微波頻率綜合器的頻率，實(shí)現(xiàn)對激光頻率的控制。由驅(qū)動單邊帶調(diào)制器輸出的連續(xù)光經(jīng)耦合器分成兩路，一路作為本振光，另一路經(jīng)電光調(diào)制器調(diào)制成脈沖光，經(jīng)放大器傳入光纖。

2.2相干光時域反射技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀Kurashima等將布里淵散射光時域反射計法（BOTDR）與COTDR結(jié)合，用于測量光纖的應(yīng)變和光損耗，在10 km單模光纖上，BOTDR模式可得到1 m的空間分辨率，COTDR模式可得到0.1 dB的低衰減噪聲[21]。Koyamada等利用COTDR技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在8 km光纖獲得0.01 ℃的溫度分辨率和1 m的空間分辨率[22]。

圖2相干光時域反射技術(shù)原理圖

Fig.2The principle diagram of the coherent optical time domain reflection technology

2010年Li等研究了一個典型的相干光時域反射計系統(tǒng)，其中單模光纖的瑞利散射是由相干光時域反射儀采用精確的頻率控制光源測量。該系統(tǒng)在每千米測試光纖上獲得0.01 ℃溫度精度和1 m空間分辨率[23]。Yang等[24]對基于COTDR的分布式溫度和應(yīng)變傳感進(jìn)行研究，對傳感原理進(jìn)行了分析和討論。通過頻率可精確控制的光源，對后向瑞利散射的測量值進(jìn)行計算分析，可以獲得由溫度和應(yīng)力導(dǎo)致的峰值變化信息。2012年P(guān)an等[25]提出基于差分相干光時域反射計的差分檢測的分布式光纖振動傳感系統(tǒng)。張曉磊等[26]分析了消光比、傳感距離和傳感光纖前后端反射等幾個關(guān)鍵因素對相干后向瑞利散射波形的影響。2013年任梅珍等推導(dǎo)了光纖中瑞利散射光的功率分布和相位分布，指出瑞利散射光功率的概率密度函數(shù)符合修正的萊斯分布，而瑞利散射光的相位分布近似為高斯分布，同時發(fā)現(xiàn)了不同長度光纖的瑞利散射光功率的最大值隨平均值線性增加[27]。COTDR與OTDR相比，能夠在較低的探測光功率下獲得更高的動態(tài)范圍，并且能夠避免在線檢測環(huán)境通信信道的干擾，適合長距離監(jiān)測，主要應(yīng)用于海底光纜的監(jiān)測[28]。3相敏光時域反射技術(shù)

3.1相敏光時域反射技術(shù)基本原理相敏光時域反射技術(shù)是在光時域反射技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，與光時域反射技術(shù)一樣，光脈沖從光纖的一段注入，用探測器探測后向瑞利散射光。不同的是注入光纖中的光是強(qiáng)相干的，因此該傳感系統(tǒng)的輸出就是脈沖寬度區(qū)域內(nèi)反射回來的瑞利散射光相干干涉的結(jié)果。相敏光時域反射技術(shù)通常用于檢測入侵，如圖3所示，當(dāng)光纖沿線上有入侵事件發(fā)生，相應(yīng)位置的光纖的折射率會發(fā)生改變并引起該位置光相位的變化，干涉結(jié)果也會發(fā)生改變，并且與入侵的位置相對應(yīng)。

圖3基于相敏光時域反射技術(shù)的入侵監(jiān)測系統(tǒng)圖

Fig.3The principle diagram of the intrusion detection system based on

phase sensitive optical time domain reflection technology

3.2相敏光時域反射技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀相敏光時域反射技術(shù)由Taylor于1993年提出，該技術(shù)大大提高了分布式光纖傳感的靈敏度，獲得3.3 dB信噪比，空間分辨率為400 m。1998年 Shatalin等[29]使用半導(dǎo)體脈沖激光器作為光源，利用OTDR監(jiān)測光線中由溫度變化引起的光相位變化，在21 m長的單模光纖上實(shí)現(xiàn)0.7 m的分辨率。2003年，Choi等使用全光型摻餌放大器，結(jié)合法布里珀羅干涉形成了激光脈沖，經(jīng)電光脈沖調(diào)制后用于相位敏感光時域反射計中，減少了頻率漂移，使其線寬小于3 kHz[30]，研制出一個定位精度為l km、定位范圍為12 km、信噪比約為5.6 dB[31]的防入侵監(jiān)測試驗系統(tǒng)。謝孔利等[32]提出基于大功率超窄線寬單模光纖激光器的相敏光時域反射（OTDR）分布式光纖傳感系統(tǒng)，激光器的輸出功率為50 mW，線寬不大于3 kHz，該系統(tǒng)只使用一級放大，降低了自發(fā)輻射噪聲，有效提高信噪比至12 dB，系統(tǒng)具有較高的探測靈敏度，系統(tǒng)定位范圍為14 km，定位精度為50 m。OTDR因其優(yōu)良的綜合性能成為目前最主要的入侵和振動分布式傳感監(jiān)測方法之一[3334]，但其需要激光器具有極窄的線寬和較小的頻率漂移，增加其成本，為滿足更高的監(jiān)測需求，OTDR今后的發(fā)展趨勢應(yīng)該著重于提高系統(tǒng)的空間分辨率，擴(kuò)大監(jiān)測范圍，即是對激光器和數(shù)據(jù)處理方法有更高要求，4結(jié)論基于瑞利散射的OTDR技術(shù)由于其可連續(xù)測量且精度高等特點(diǎn)，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注和研究，國內(nèi)許多高校和研究所也對其進(jìn)行研究拓展，在許多領(lǐng)域如電網(wǎng)、管道、混凝土大壩和軍事防御等得到應(yīng)用，盡管其發(fā)展仍不成熟，但隨著激光器發(fā)展以及數(shù)據(jù)處理方法的改進(jìn)，未來可能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。參考文獻(xiàn)：

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（編輯：張磊）