基于Φ—OTDR的分布式入侵檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用綜述

李成++趙年順++錢楷

【摘 要】Φ-OTDR分布式入侵檢測(cè)系統(tǒng)能對(duì)沿光纖線路范圍內(nèi)的入侵目標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)程、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的安全監(jiān)控，本文分析了基于Φ-OTDR光纖傳感系統(tǒng)的理論、優(yōu)缺點(diǎn)以及國(guó)內(nèi)外應(yīng)用研究的方向，提出了在實(shí)際工程應(yīng)用中對(duì)入侵檢測(cè)系統(tǒng)各部件的具體改進(jìn)措施。

【關(guān)鍵詞】Φ-OTDR；分布式傳感；入侵檢測(cè)

Overview on Analysis and Application of the Distributed Intrusion System Detection Based on Φ-OTDR

LI Cheng1，2 ZHAO Nian-shun1 QIAN Kai2

（1.School of Information Engineering， Huangshan University， Huangshan Anhui 245000， China； 2.Key Laboratory of

Opto-electronic Information Acquisition and Manipulation of Ministry of Education， Anhui University， Hefei Anhui 230039， China）

【Abstract】Φ-OTDR（Phase-Sensitive Optical Time-domain Reflectometry）distributed optic-fiber sensing system is a kind of distributed sensing system using optic-fiber can carry on real-time remote security monitoring of the target within it. The principle， advantage and disadvantage and research direction of the fiber sensing system based onΦ-OTDR are introduced.The future of the optical fiber sensing technology is prospected. Finally， Some suggestions and reform measures to various parts of the systemin practical engineering are proposed.

【Key words】Φ-OTDR； Distributed sensing； Intrusion detection

0 引言

基于Φ-OTDR 技術(shù)的入侵檢測(cè)系統(tǒng)是一種實(shí)用的安防系統(tǒng)，不僅具有靈敏度高、抗電磁干擾、抗腐蝕等特性，而且具有測(cè)量精確、隱蔽性好、數(shù)據(jù)處理相對(duì)簡(jiǎn)單，并且可以測(cè)出光纖沿線任一點(diǎn)上的應(yīng)力、振動(dòng)和溫度等信息，無(wú)需構(gòu)成回路等特點(diǎn)。分布式光纖傳感技術(shù)能夠發(fā)揮其光纖分布伸展優(yōu)勢(shì)的傳感測(cè)量方法，它是基于光時(shí)域反射（OTDR）技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一可靠的傳感技術(shù)[1-2] 。

1 OTDR分類及基本原理

光在光纖中傳輸會(huì)發(fā)生散射，包括由光纖折射率變化引起的瑞利散射、光學(xué)聲子引起的拉曼散射和聲學(xué)聲子引起的布里淵散射三種類型[3-6]。

光時(shí)域反射計(jì)OTDR是基于測(cè)量后向瑞利散射光信號(hào)的實(shí)用化測(cè)量?jī)x器。利用OTDR 可以方便地從單端對(duì)光纖進(jìn)行非破壞性的測(cè)量，它能連續(xù)顯示整個(gè)光纖線路的損耗相對(duì)于距離的變化。OTDR測(cè)試是通過(guò)將光脈沖注入到光纖中，當(dāng)光脈沖在光纖內(nèi)傳輸時(shí)，會(huì)由于光纖本身的性質(zhì)、連接器、接頭、彎曲或其它類似的事件而產(chǎn)生散射、反射，其中一部分的散射光和反射光經(jīng)過(guò)同樣的路徑延時(shí)返回到OTDR中。OTDR根據(jù)入射信號(hào)與其返回信號(hào)的時(shí)間差τ，利用下式就可計(jì)算出上述事件點(diǎn)與OTDR的距離：

d=cτ/（2n）

式中c 為光在真空中的速度，n 為光纖纖芯的有效折射率。

基于布里淵散射光時(shí)域反射儀（BOTDR）的分布式光纖傳感器是布里淵散射和OTDR 探測(cè)技術(shù)相結(jié)合構(gòu)成的分布式應(yīng)變傳感器，布里淵后向散射光相對(duì)于入射光脈沖會(huì)發(fā)生頻移。布里淵頻移vB 主要由入射光頻率v0、纖芯折射率n、光纖內(nèi)聲速V等決定：

vB=（2v0/c）nV

當(dāng)光纖的溫度和應(yīng)變發(fā)生變化時(shí)，光纖纖芯的折射率n和聲速V 會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，從而導(dǎo)致布里淵頻移的改變。通過(guò)檢測(cè)布里淵頻移的變化量就可獲知溫度和應(yīng)變的變化量。同時(shí)，通過(guò)測(cè)定該散射光的回波時(shí)間就可確定散射點(diǎn)的位置。

2 分布式入侵檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理及工程實(shí)踐

2.1 入侵檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理[4-5]

圖1 干涉?zhèn)鞲衅髟韴D

許多研究關(guān)注在Φ-OTDR噪音環(huán)境下，施加在Φ-OTDR信號(hào)上的后向散射各個(gè)部分的影響。相位型光纖傳感器關(guān)注在光纖中導(dǎo)致外部相位變化的形態(tài)和位置。

考慮一束相干光脈沖ε（t）注入一長(zhǎng)為L(zhǎng)的Φ-OTDR單模光纖。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假設(shè)在光纖一點(diǎn)加一外部光源相位調(diào)制，在距離注入點(diǎn)Z0處產(chǎn)生光學(xué)相位變化Φ，在t時(shí)刻出射的后向散射光電場(chǎng)E（Φ）可以表示為光纖中部分散射光的疊加[5-6]。

在光纖中光速為v，光波傳播常數(shù)為B，分別利用群速和相位延遲表示電場(chǎng)強(qiáng)度，公式如下：

其中Δz的是OTDR的系統(tǒng)的空間分辨率。因此，Φ-OTDR的可以與相干光源，作為一個(gè)分布式的傳感器，空間分辨率相當(dāng)于該Φ-OTDR的空間分辨率。顯然，良好的能見(jiàn)度激光相干長(zhǎng)度應(yīng)大于Φ-OTDR空間分辨率的間隔。這不是工程中Φ-OTDR的系統(tǒng)案件，因?yàn)樯鲜鲞@些系統(tǒng)只有一個(gè)狹窄的光譜范圍，和一個(gè)可以評(píng)估它們性能的平均超過(guò)源光譜的全譜寬的入侵干涉儀。這不可避免地導(dǎo)致降低模式的干擾的能見(jiàn)度。

與常規(guī)OTDR 一樣，Φ-OTDR通過(guò)測(cè)量注入脈沖與接收到的信號(hào)之間的時(shí)間延遲得到擾動(dòng)的位置。當(dāng)光纖線路上由于入侵而發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，由于彈光效應(yīng)，光纖相應(yīng)位置的折射率將發(fā)生變化，這將導(dǎo)致該處光相位發(fā)生變化，又通過(guò)干涉作用，相位的變化將引起后向散射光光強(qiáng)發(fā)生變化。通過(guò)探測(cè)器探測(cè)后向瑞利散射光，并且將Φ-OTDR不同時(shí)刻的后向瑞

利散射曲線相減來(lái)檢測(cè)這種效應(yīng)，相減的曲線上光強(qiáng)發(fā)生變化的時(shí)間位置同入侵導(dǎo)致相位擾動(dòng)的位置（相對(duì)注入脈沖那一端的距離）相對(duì)應(yīng)。

2.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)

目前在國(guó)外的實(shí)驗(yàn)研究中，已從單一檢測(cè)布里淵散射的頻移或強(qiáng)度，發(fā)展到散射頻移和強(qiáng)度的同時(shí)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)溫度與應(yīng)變的同時(shí)傳感。

第一類使用脈沖激光器或連續(xù)光激光器作為光源的光時(shí)域反射計(jì)系統(tǒng)已被證明可以用來(lái)檢測(cè)并定位拉伸或溫度引起的相位擾動(dòng)。使用半導(dǎo)體脈沖激光器作為光源的光時(shí)域反射計(jì)系統(tǒng)被用于檢測(cè)由溫度快速變化引起的光相位變化[6]實(shí)驗(yàn)的原理圖如圖2：

圖2 Φ-OTDR 系統(tǒng)原理示意圖

該檢測(cè)系統(tǒng)的空間分辨率是0.7米，這也是Φ-OTDR系統(tǒng)的分辨率。測(cè)量的積分時(shí)間等于第一相位調(diào)制器的時(shí)間延遲。輸出強(qiáng)度的明顯變化類似于兩束干涉儀。該實(shí)驗(yàn)被證明是從第一次的部分光纖中由于相額外隨機(jī)波的疊加。他們顯然不是因?yàn)樯⒘Ｔ肼暬蛟诜稚⒌臈l件隨機(jī)變化，因?yàn)樗麄冊(cè)谛问缴媳３址€(wěn)定的幾秒鐘。這表明該相干長(zhǎng)度是大到足以提供有形干擾為Φ-OTDR的空間分辨率[6-8]。實(shí)際上，該系統(tǒng)為法布里珀羅干涉儀系列。

另一類光纖分布式傳感防入侵系統(tǒng)[7]是基于干涉儀原理的分布式傳感系統(tǒng)。但是，干涉儀方法的定位精度會(huì)隨著傳感距離的增大而降低，數(shù)據(jù)處理工作也很復(fù)雜，且對(duì)參考光纖的屏蔽有很高的要求。

第三類是基于大功率超窄線寬單模光纖激光器的？準(zhǔn)-OTDR分布式傳感系統(tǒng)[8]，此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究采用了單模光纖激光模塊，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示[8]。光纖激光器產(chǎn)生的光波經(jīng)過(guò)電光調(diào)制器后產(chǎn)生光脈沖，光脈沖被EDFA放大，由帶通濾波器濾除自發(fā)輻射光后通過(guò)一個(gè)3dB的耦合器進(jìn)入系統(tǒng)光纜。用光電探測(cè)器探測(cè)后向瑞利散射光，該實(shí)驗(yàn)用采樣率為50MS/s的數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)。設(shè)備位于室內(nèi)，12km直徑為3mm的成纜標(biāo)準(zhǔn)單模光纖作為傳感光纖，埋設(shè)于室外地下20cm，在2km處直線展開(kāi)30m作為入侵點(diǎn)。

圖3 Φ-OTDR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

該研究提出了一個(gè)基于大功率超窄線寬激光器的？準(zhǔn)-OTDR光纖分布式傳感系統(tǒng)[8]，激光器的輸出功率為50mW，線寬≦3kHz。使用一級(jí)放大降低自發(fā)輻射噪聲，該系統(tǒng)的信噪比較高，有入侵時(shí)系統(tǒng)能較好的響應(yīng)光相位調(diào)制。

3 結(jié)論

Φ-OTDR分布式光纖傳感系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)[9-13]：（1）靈敏度度高，可以進(jìn)行精確檢測(cè)。（2）并且具備提取大范圍測(cè)量場(chǎng)的分布信息的能力。（3）分布式光纖傳感系統(tǒng)的傳感器件具有抗電磁干擾、防水、耐高溫、抗腐蝕等特點(diǎn)，在特殊環(huán)境下可以正常工作。缺點(diǎn)：（1）由于靈敏度高，誤報(bào)率較高。（2）由于光源的功率受限，檢測(cè)信號(hào)較弱。（3）與其它類型檢測(cè)系統(tǒng)相比，空間分辨率較低。

改進(jìn)方法：（1）對(duì)光纜進(jìn)行封裝保護(hù)，例如應(yīng)用FRP 封裝的復(fù)合材料光纜作為傳感光纜[9]，還需對(duì)整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件優(yōu)化，對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)處理，降低環(huán)境噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響。（2）增大光源功率，增大性噪比，改進(jìn)整個(gè)系統(tǒng)的功能。目前Φ-OTDR 分布式光纖傳感系統(tǒng)整體性能已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外研究者的推動(dòng)下取得了較為顯著地優(yōu)化，我們還需要針對(duì)以上方面做進(jìn)一步改進(jìn)，在測(cè)量精度，距離以及識(shí)別不同頻率振動(dòng)事件[2]方面進(jìn)一步優(yōu)化，才能更好的應(yīng)用于實(shí)際的入侵檢測(cè)中。

【參考文獻(xiàn)】

[1]侯俊芳，裴麗，李卓軒，劉超.光纖傳感技術(shù)的研究進(jìn)展及應(yīng)用[J].光電技術(shù)應(yīng)用，2012（01）.

[2]鄭印，段發(fā)階，涂勤昌，伯恩.？準(zhǔn)-OTDR識(shí)別不同頻率振動(dòng)事件研究[J].光電工程.2015，5（42）.

[3]R. Jugkaitis，A. M. Mamedov， V. T. Potapov， and S. V. Shatalin.Distributed interferometric fiber sensor system[J]. OPTICS LETTERS.Vol. 17， No. 22，November 15， 1992.

[4]R. Jugkaitis，A. M. Mamedov， V. T. Potapov， and S. V. Shatalin.Interferometry with Rayleigh backscatteringin a single-mode optical fiber[J]. OPTICS LETTERS.Vol. 19， No. 3，F(xiàn)ebruary 1， 1994.

[5]Sergey V. Shatalin， Vladimir N. Treschikov， and Alan J. Rogers.Interferometric optical time-domain reflectometry for distributed optical-fiber sensing[J]. APPLIED OPTICS，Vol. 37， No. 24， 20 August， 1998.

[6]Juan C. Juarez.Distributed Fiber-Optic Intrusion Sensor System[J]. JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY， VOL. 23， NO. 6， JUNE， 2005.

[7]倪玉婷，呂辰剛，葛春風(fēng)，武星.基于OTDR 的分布式光纖傳感器原理及其應(yīng)用[J].光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，2001（1）：1-4.

[8]謝孔利，饒?jiān)平皆?基于大功率超窄線寬單模光纖激光器的ф-光時(shí)域反射計(jì)光纖分布式傳感系統(tǒng)[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2008（03）.

[9]謝孔利.基于φ-OTDR的分布式光纖傳感系統(tǒng)[D].電子科技大學(xué)，2008.

[10]岳劍峰.分布式光纖Φ-OTDR安防系統(tǒng)實(shí)用化研究[D].電子科技大學(xué)，2009（3）.

[11]覃健文，韋煥華.光纖傳感技術(shù)在安防領(lǐng)域的應(yīng)用[J].光通信技術(shù)，2013（08）.

[12]李平，羅巧梅，肖石林.基于光纖傳感技術(shù)在邊坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究[J].信息技術(shù)，2014（05）.

[13]賈琦.光纖傳感技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J].中國(guó)包裝工業(yè)，2014（08）.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]