基于多模光纖的分布式應(yīng)變傳感系統(tǒng)光路接口設(shè)計(jì)

袁明　閆繼送　江升

摘 要：在分布式光纖應(yīng)變傳感系統(tǒng)中，采用的單模傳感光纜在實(shí)際施工時(shí)，由于鋪設(shè)環(huán)境較為復(fù)雜，往往會(huì)出現(xiàn)巨大的傳輸損耗影響測試結(jié)果。針對現(xiàn)有的BOTDR產(chǎn)品只支持單模傳感光纜的情況，提出了一種光路接口，它能使現(xiàn)有的BOTDR產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)對多模光纖的測量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該光路接口可以幫助BOTDR實(shí)現(xiàn)多模光纖應(yīng)變測試，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)線性良好。該光路接口結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，對擴(kuò)大BOTDR的應(yīng)用領(lǐng)域和提高對復(fù)雜鋪設(shè)環(huán)境的適應(yīng)能力有重大意義。

關(guān)鍵詞：分布式光纖傳感；多模BOTDR；光路接口；布里淵光時(shí)域反射計(jì)（BOTDR）

中圖分類號(hào)：TP212.1+4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.11.007

基于布里淵光時(shí)域反射計(jì)（BOTDR）的分布式光纖傳感技術(shù)是一項(xiàng)新型傳感技術(shù)，它與傳統(tǒng)的傳感器不同，具有分布式、單端測量、保密性好、檢測距離長、抗電磁輻射、精度高和耐久性好等特點(diǎn)，可以全面、準(zhǔn)確地監(jiān)測山體滑坡、泥石流、橋梁、大壩、鐵軌、隧道和礦井等大型土木工程，有效地改善傳統(tǒng)點(diǎn)式傳感技術(shù)和人工檢查容易出現(xiàn)的漏測、誤測問題，而且該技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于對大型土木工程健康狀態(tài)的監(jiān)測和故障預(yù)警工作中。目前，投入市場的BOTDR產(chǎn)品都以單模光纖為傳感介質(zhì)，單模光纖測試距離長、傳輸損耗低。但是，在大型土木工領(lǐng)域的應(yīng)用過程中，由于傳感光纜經(jīng)常要面臨砂石、混凝土和巖石等復(fù)雜的鋪設(shè)環(huán)境，鋪設(shè)單模光纖傳感光纜后，很容易出現(xiàn)大量的微彎損耗，進(jìn)而大幅增加傳感光纜的傳輸損耗，對測試效果有很大的影響。針對上述問題，提出了一種光路接口，它克服了現(xiàn)有BOTDR產(chǎn)品無法測試多模光纖的問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用此光路接口后，現(xiàn)有的BOTDR產(chǎn)品也可以對多模光纖進(jìn)行測試，并且保證了應(yīng)變測試精度、空間分辨率等關(guān)鍵指標(biāo)。該光路接口可以有效擴(kuò)大BOTDR的應(yīng)用領(lǐng)域和

提高BOTDR對復(fù)雜鋪設(shè)環(huán)境的適應(yīng)能力。

1 BOTDR基本原理

圖1 基于BOTDR的光纖傳感系統(tǒng)示意圖

圖1為分布式光纖傳感系統(tǒng)示意圖，探測光注入到光纖后，由于探測光與光纖中介質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)之間的相互作用，在光纖中

產(chǎn)生了自發(fā)聲波場，在其作用下，光纖產(chǎn)生后會(huì)向布里淵散射，并且該散射光的頻率相對于入射光頻率會(huì)發(fā)生一定的偏移，所以，將其稱為布里淵頻移。布里淵頻移與光纖的溫度和應(yīng)變呈線性關(guān)系，用公式表示為：

. （1）

式（1）中：fB（ε，T）為溫度T下在光纖距離Z處產(chǎn)生應(yīng)變?yōu)棣艜r(shí)的布里淵頻移；fB（0，T0）為溫度T0下光纖在無應(yīng)變時(shí)的初始布里淵頻移；Cs為光纖的應(yīng)變系數(shù)；CT為光纖的溫度系數(shù)。

2 多模光纖BOTDR系統(tǒng)的光路接口原理

光在光纖中傳輸需要滿足全反射條件，只有滿足發(fā)散角小于arcsin（NA）的光線才能通過全反射傳輸，而發(fā)散角大于arcsin（NA）的光線則會(huì)被損耗和吸收。NA為光纖的數(shù)值孔徑：

NA= （2）

式（2）中：Δ為相對折射率差。一般多模光纖NA多為0.3，纖芯半徑一般為62.5 μm/50 μm，單模光纖NA單為0.1，纖芯半徑一般為10 μm。由此可見，如果多模到單模光纖之間沒有耦合器件，多模光纖出來的光只有極小的一部分才會(huì)耦合進(jìn)入單模光纖，采用多模光纖到單模光纖直接對接，其耦合效率通過模擬仿真只有0.1%.

由圖1可知，BOTDR系統(tǒng)與被測光纖在測試過程中，存在BOTDR系統(tǒng)→被測光纖和被測光纖→BOTDR系統(tǒng)的雙向耦合。目前的BOTDR產(chǎn)品光路接口內(nèi)都為單模接口，如果將被測光纖直接替換為多模光纖，那么，BOTDR系統(tǒng)與被測光纖的雙向耦合系統(tǒng)將分別變?yōu)閱文！嗄Ｖ苯玉詈虾投嗄！鷨文Ｖ苯玉詈稀Ｓ捎诙嗄！鷨文５闹苯玉詈舷到y(tǒng)耦合效率極低，將被測光纖直接替換為單模光纖，會(huì)導(dǎo)致BOTDR系統(tǒng)接收的后向布里淵散射光強(qiáng)度劇烈下降，進(jìn)而導(dǎo)致無法測量。

本文設(shè)計(jì)的光路接口主要是由自聚焦透鏡和非球面雙凸透鏡組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。光從多模光纖中入射到自聚焦透鏡中，由自聚焦透鏡經(jīng)雙凸透鏡入射到單模光纖中，通過ZEMAX模擬仿真可知，多模光纖到單模光纖的耦合效率能達(dá)到45.145%，耦合效率計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖2 光路接口結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 光路接口耦合效率示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文使用中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所研制的AV6419光纖應(yīng)變分布測試儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。AV6419光纖應(yīng)變分布測試儀的應(yīng)變測試精度最高達(dá)10 με，空間分辨率為1 m，最大測試量程達(dá)80 km，是目前國際上最先進(jìn)的BOTDR產(chǎn)品。

圖4 多模光纖測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5 多模光纖應(yīng)變與拉伸距離關(guān)系曲線

結(jié)合本文研制的光路接口后，AV6419光纖應(yīng)變分布測試儀成功地完成了對多模光纖的應(yīng)變測試。在此次實(shí)驗(yàn)中，利用光纖拉伸裝置拉伸了1.203 km處的光纖，拉伸距離從4 000～6 000 μm，步進(jìn)400 μm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，應(yīng)變與拉伸距離的線性關(guān)系曲線如圖5所示，其線性度可達(dá)99.81%. 由此可見，使用本文提出的光路接口后，AV6419光纖應(yīng)變分布測試儀測試可以準(zhǔn)確地得到多模光纖的應(yīng)變數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

本文提出了一種可以令目前BOTDR產(chǎn)品測試實(shí)現(xiàn)多模光纖的光路接口，并設(shè)計(jì)了光纖拉伸實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證多模光纖應(yīng)變測試的可行性。測試結(jié)果線性良好，線性度達(dá)到99.81%. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的光路接口能夠令現(xiàn)有的單模BOTDR實(shí)現(xiàn)多模光纖應(yīng)變測試，對克服單模傳感光纜缺陷，擴(kuò)大BOTDR產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域，提升BOTDR對復(fù)雜鋪設(shè)環(huán)境的適應(yīng)能力有重要的意義。

參考文獻(xiàn)

[1]黃健，章丹峰.國內(nèi)BOTDR分布式光線監(jiān)測技術(shù)試驗(yàn)研究與工程應(yīng)用概述[J].建筑監(jiān)督檢測與造價(jià)，2013，6（4）：6-10.

[2]張丹，施斌，吳智深，等.BOTDR分布式光纖傳感器及其在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用[J].土木工程學(xué)報(bào)，2003，36（11）：83-87.

[3]邱海濤，李川，劉建平.基于BOTDR的隧道應(yīng)變監(jiān)測與數(shù)值模擬[J].傳感器與微系統(tǒng)，2012，30（12）：78-81.

〔編輯：白潔〕