系統(tǒng)科學(xué)方法在分布式光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用

【摘要】光纖傳感技術(shù)是一類將被測對象的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的光信號的傳感技術(shù)。由于在長距離連續(xù)傳感方面具有不可替代的優(yōu)勢，分布式光纖傳感技術(shù)在周界安防、石油電力、大型結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域的安全監(jiān)控方面具有非常廣闊的應(yīng)用前景。本文以分布式光纖傳感技術(shù)在管道監(jiān)測中的應(yīng)用為例介紹了在研究光纖傳感技術(shù)中的系統(tǒng)科學(xué)方法的運(yùn)用，通過把握系統(tǒng)科學(xué)方法所具有的整體、動態(tài)、模型化的特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹了應(yīng)用此類方法對推動光纖傳感領(lǐng)域發(fā)展的作用。

【關(guān)鍵詞】分布式光纖傳感技術(shù);光纖傳感系統(tǒng);系統(tǒng)科學(xué)方法;信息方法

【作者簡介】王春雨 山東濱州人，理學(xué)碩士，專業(yè)：山東建筑大學(xué)理學(xué)院凝聚態(tài)物理專業(yè)，研究方向：光纖傳感。

中圖分類號：TN92? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1673-0348（2020）020-074-03

Application of System Science Method in Distributed Optical Fiber Sensing Technology

Wang Chunyu

（Shandong Jianzhu University? Shandong Jinan 250101）

Abstract：Optical fiber sensing technology is a type of sensing technology that transforms the state of the measured object into a measurable optical signal.Due to its irreplaceable advantages in long-distance continuous sensing， distributed optical fiber sensing technology has very broad application prospects in security monitoring in the fields of perimeter security， petroleum and electric power， and large structures.This paper takes the application of distributed optical fiber sensing technology in pipeline monitoring as an example to introduce the application of systematic scientific methods in the research of optical fiber sensing technology.By grasping the overall， dynamic， and modeling characteristics of systematic scientific methods， this paper focuses on the application of such methods to promote the development of optical fiber sensing.

Keywords： distributed optical fiber sensing technology; optical fiber sensing system; system science method; information method

20世紀(jì)40年代以后，一般系統(tǒng)論、信息論、控制論等系統(tǒng)理論相繼誕生，隨后，耗散結(jié)構(gòu)理論、協(xié)同學(xué)、突變論、超循環(huán)理論等非平衡自組織理論又逐步產(chǎn)生和發(fā)展，這些理論為科學(xué)技術(shù)發(fā)展提供了新思想、新觀點(diǎn)，產(chǎn)生了從整體上最優(yōu)解決多因素、復(fù)雜系統(tǒng)的現(xiàn)代新工具論——系統(tǒng)科學(xué)方法論。分布式光纖傳感技術(shù)是在20世紀(jì)70年代末提出的，它是隨著在光纖工程中應(yīng)用十分廣泛的光時域反射（OTDR）技術(shù)的出現(xiàn)而發(fā)展起來的。分布式光纖傳感技術(shù)是利用光纖的一維空間連續(xù)特性進(jìn)行相關(guān)物理量測量的技術(shù)。光纖既作傳感元件，又作傳輸元件，可以在整個光纖長度上對沿光纖分布的物理量參數(shù)進(jìn)行連續(xù)測量，同時獲得被測量的空間分布狀態(tài)和隨時間變化的信息。光纖傳感器的不斷發(fā)展，主要是因?yàn)樗哂泻芏鄡?yōu)勢，使得它優(yōu)于傳統(tǒng)傳感器，比如質(zhì)量輕、體積小，還具有著靈敏度高，能夠耐腐蝕，可以抗電磁干擾，并且傳輸頻帶寬，能夠?qū)崿F(xiàn)分布式或準(zhǔn)分布式測量，在使用時維護(hù)成本低的優(yōu)勢?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，美國、日本及歐洲等國從上世紀(jì)末便將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，發(fā)展至今，民用領(lǐng)域開展了廣泛的光纖傳感器研發(fā)和應(yīng)用研究，光纖光柵（FBG）傳感器、光時域反射儀（OTDR）、布里淵光時域分析儀（BOTDA）等技術(shù)都在逐漸成熟，并在實(shí)際工程中得以應(yīng)用。

分布式光纖傳感技術(shù)是光纖傳感領(lǐng)域的重要組成部分，我們以方法論為指導(dǎo)，不斷思考、研究問題和梳理歸納物理規(guī)律，把各類傳感技術(shù)進(jìn)行科學(xué)方法論證分析，把光纖傳感技術(shù)和其他技術(shù)對比學(xué)習(xí)，進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ)，更好的實(shí)現(xiàn)工程進(jìn)步，不斷學(xué)習(xí)科學(xué)研究方法才能更好地進(jìn)行科研工作。在光纖傳感技術(shù)的科研工作中，對整套傳感系統(tǒng)的這一整體來說，正是系統(tǒng)方法的應(yīng)用推進(jìn)了技術(shù)的進(jìn)步。

1. 分布式光纖傳感技術(shù)及其中方法

近年來，分布式光纖傳感技術(shù)成為了一種被用于檢測結(jié)構(gòu)應(yīng)變和溫度的新型傳感技術(shù)。光纖傳感器以光波為信號載體，光纖為傳送媒介，能夠長距離的探測到并傳送信號。光時域反射（OTDR）技術(shù)已經(jīng)問世近40年了。該技術(shù)主要是用于測試光纖鏈路的衰減，同時可以提供和長度有關(guān)的衰減細(xì)節(jié)，因此該技術(shù)可用于測量光纖路上任意位置事件，可用于定位和探測。OTDR測試的非破壞性，使之在生產(chǎn)生活的多方面都有應(yīng)用。OTDR本身就有分布式的特點(diǎn)，但因其靈敏度較低而存在較大局限性。因此，人們在傳統(tǒng)的OTDR的基礎(chǔ)上發(fā)展出了基于光時域反射的分布式光纖傳感技術(shù)。發(fā)展至今主要有：偏振光時域反射技術(shù)（POTDR），相位敏感光時域反射技術(shù)（φOTDR），布里淵光時域反射分析技術(shù)（BOTDR/BOTDA）和拉曼光時域反射技術(shù)（ROTDR）。

偏振光時域反射技術(shù)（POTDR）是1980年A.J.Rogers提出的，是最早被提出的一種光纖分布式傳感技術(shù)，但由于偏振態(tài)對環(huán)境十分敏感，穩(wěn)定性很差，POTDR的空間分辨率低，噪聲影響較大，而本身從信號中分離出溫度和應(yīng)力的影響非常困難，故而到現(xiàn)在還沒有成熟的產(chǎn)品問世。

相位敏感光時域反射技術(shù)（φOTDR）是1993年H.F.Taylor首先提出的，到2010年前后才被用于管道光纜等預(yù)警研究。2015年，太原理工大學(xué)的王宇等人將φOTDR技術(shù)用于燃?xì)夤艿榔茐念A(yù)警研究，2016年天津大學(xué)等單位開展來了關(guān)于φOTDR 技術(shù)的城市地下供水管網(wǎng)主干線泄漏檢測定位研究。國內(nèi)將φOTDR技術(shù)應(yīng)用于管道泄漏檢測的時間較短，目前仍在對結(jié)構(gòu)和技術(shù)的不斷改進(jìn)中，處于基礎(chǔ)性理論和實(shí)驗(yàn)研究階段。

布里淵光時域反射技術(shù)（BOTDR）是1986年Tkach等人提出，是一種基于OTDR技術(shù)的新型分布式光纖傳感技術(shù)，布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)雖然起步較晚，但是，該技術(shù)在應(yīng)變和溫度的測量精度遠(yuǎn)高于其他技術(shù)，范圍和空間分辨率。因此目前得到廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。BOTDA一般采用雙端輸入。將泵浦光（脈沖光）和探測光（連續(xù)光）注入傳感光纖兩端，兩種光發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，從而使得布里淵頻率發(fā)生變化。即當(dāng)光纖段發(fā)生應(yīng)變和溫度改變時，相應(yīng)的就會出現(xiàn)布里淵頻移，因此通過檢測光纖任意區(qū)域的最大能量轉(zhuǎn)移時的頻率差即可得到想要的應(yīng)變和溫度信息。

拉曼光時域反射技術(shù)（ROTDR）是一種基于拉曼散射的分布式光纖傳感技術(shù)。利用斯托克斯光和反斯托克斯光的強(qiáng)度比和溫度的關(guān)系和光時域反射技術(shù)結(jié)合可以構(gòu)成分布式溫度傳感器，斯托克斯光和反斯托克斯光的強(qiáng)度比可消除光纖的固有損耗和不均勻性帶來的影響。目前基于拉曼散射的分布式溫度傳感技術(shù)是分布式傳感技術(shù)中最成熟的一種，因此應(yīng)用也較為廣泛。

在各類傳感系統(tǒng)中，光纖傳感技術(shù)是將被測對象的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的光信號的傳感技術(shù)，利用了信息方法來通過對信息的獲取、傳輸、加工和處理這一過程的研究來揭示對象的性質(zhì)和規(guī)律。所以，信息方法對應(yīng)著分布式光纖傳感技術(shù)中捕獲信息獲得光信號以及信號處理方面的內(nèi)容，這種方法用信息概念作為分析研究和處理問題的基礎(chǔ)，它完全撇開對象的具體運(yùn)動形式和具體資料，也就是光纖中的光信號最初轉(zhuǎn)化過程的技術(shù)實(shí)現(xiàn)上的設(shè)計(jì)思路，把系統(tǒng)的運(yùn)動過程抽象為信息變換過程，并且直接從整體出發(fā)，最終，分布式光纖傳感系統(tǒng)所調(diào)用的光信號也是系統(tǒng)模型里的一個或幾個維度，以此來表示標(biāo)準(zhǔn)傳感參數(shù)，用這一方法體現(xiàn)了用聯(lián)系和轉(zhuǎn)化的觀點(diǎn)綜合地研究系統(tǒng)的信息過程。信息方法特別適用于自動化或智能化應(yīng)用研究、社會系統(tǒng)或管理系統(tǒng)的應(yīng)用研究，例如一套分布式光纖傳感系統(tǒng)正是有著這樣的信息類型與處理需求。

2. 系統(tǒng)科學(xué)方法的研究

科研方法是科研工作中必須遵循的途徑、必須采取的手段和步驟等，我們對科研方法進(jìn)行研究，也正是能對自己所做方向的推動，也正是需要儲備的最基礎(chǔ)的方法論，把光纖傳感技術(shù)能用更科學(xué)的方法，推動其出現(xiàn)更大的技術(shù)進(jìn)步，具體來說，一是實(shí)踐方式，二是思維方式。在科研工作中，選擇利用光纖傳感技術(shù)，如光纖布拉格光柵（FBG）、布里淵光時域分析（BOTDA）、拉曼光時域反射計(jì)（ROTDR）等直接實(shí)時監(jiān)測管道應(yīng)力、溫度，利用泄漏會產(chǎn)生管道附近的應(yīng)變、溫度變化等原理達(dá)到監(jiān)測管道泄漏的目的。系統(tǒng)科學(xué)方法是指用按照系統(tǒng)科學(xué)的理論和觀點(diǎn)，把研究對象視為“系統(tǒng)”來解決認(rèn)識和實(shí)踐兩方面過程中的各種問題的方法的總稱，如同光纖傳感這項(xiàng)技術(shù)中，關(guān)于整個研究對象的各個維度的信息，是可以轉(zhuǎn)化成光纖傳感器可以認(rèn)識到的信息，這就是將這多個維度進(jìn)行系統(tǒng)化處理。

系統(tǒng)科學(xué)方法是一個內(nèi)涵極為豐富的方法群，分布式光纖傳感技術(shù)是從被測對象的各種信息中處理成為搭載著信息內(nèi)容的光信號，再用傳感系統(tǒng)去分析處理光信號，來得到所需求維度下的信息。在分布式光纖傳感系統(tǒng)中，對光纖中所搭載的信息內(nèi)容的處理，對系統(tǒng)中出現(xiàn)問題的解決，對系統(tǒng)的不斷優(yōu)化，這體現(xiàn)著系統(tǒng)科學(xué)方法的運(yùn)用，例如對光纖傳感系統(tǒng)中在濾波和模式識別方面正是使用著系統(tǒng)方法里信息變換方法流程。

通過系統(tǒng)科學(xué)方法的運(yùn)用及信息方法的處理，分布式光纖傳感技術(shù)的科研過程有了方法論上的支持。將系統(tǒng)科學(xué)方法對技術(shù)分析，分布式光纖傳感技術(shù)具有以下優(yōu)勢：無需在光纖上制作傳感器，傳感光纖集傳感與傳輸于一體，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、大范圍的傳感與組網(wǎng);可連續(xù)感知光纖傳輸路徑上每一點(diǎn)的溫度、應(yīng)變、振動等物理參量的空間分布和變化信息，單根光纖上能獲得多達(dá)數(shù)萬點(diǎn)的傳感信息?？偟膩碚f，通過對技術(shù)領(lǐng)域本身優(yōu)勢的把握和科學(xué)方法的有效支持，將在長距離連續(xù)傳感方面具有不可替代優(yōu)勢的分布式光纖傳感技術(shù)，廣泛應(yīng)用到了周界安防、石油電力、大型結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域的安全監(jiān)控方面，深刻體現(xiàn)了方法論的指導(dǎo)作用。

3. 結(jié)論

科研方法是科研工作中必須遵循的途徑、必須采取的手段和步驟等，科研方法沒有固定統(tǒng)一的有效模式，更不存在一套發(fā)現(xiàn)和發(fā)明的機(jī)械程序。本文以光時域反射的分布式光纖傳感技術(shù)在管道監(jiān)測中的應(yīng)用為例介紹了在研究光纖傳感技術(shù)中的系統(tǒng)科學(xué)方法的運(yùn)用，把握系統(tǒng)科學(xué)方法所具有的整體、動態(tài)、模型化的特點(diǎn)，了解此類方法對推動光纖傳感領(lǐng)域發(fā)展的作用?！肮び破涫?，必先利其器”，科學(xué)方法在科學(xué)認(rèn)識活動中具有重要的作用，關(guān)系到科研工作的成功與否、成果大小、進(jìn)程快慢、效率高低等。具體的科研方法多種多樣，在科研工作中，往往是相互結(jié)合、組合使用，要對各類方法有充足的認(rèn)識和把握，也要注重協(xié)作與合作。

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