相位敏感OTDR和布里淵OTDR結(jié)合的雙參量分布式光纖傳感的研究

張 凱,藥 煒,原 軍,趙 楊,張 坤,陳 冉,李書華,,王 坤,,王澤義,范明華

(1.國網(wǎng)太原供電公司,山西 太原 030012；2.武漢康普常青軟件技術(shù)股份有限公司,湖北 武漢 430073)

1 引 言

相對于傳統(tǒng)的點式傳感器,分布式光纖傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)整條傳感光纖上物理量的連續(xù)測量,因而分布式光纖傳感技術(shù)引起國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。此外分布式光纖傳感技術(shù)具有測量范圍廣、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、抗腐蝕、耐高溫、抗電磁干擾以及靈敏度高等優(yōu)點,在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-5]?；诓祭餃Y散射和瑞利散射的光時域反射計因其傳感原理基于光纖中傳輸光的布里淵散射光頻率和瑞利散射光相位變化,所以其測量精度和靈敏度極高,非常適用于溫度/應(yīng)變和振動事件的檢測,可廣泛應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、長距離大范圍溫度監(jiān)測、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、通信線路安全監(jiān)測、輸電線路運營監(jiān)測、周界安防系統(tǒng)監(jiān)測、油氣管道運營安全監(jiān)測、天然氣開采等領(lǐng)域[6-9]。

隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,多參量監(jiān)測已成為光纖監(jiān)控系統(tǒng)的必然發(fā)展趨勢,為故障事件的綜合識別提供了更全面的判斷依據(jù)和更有效的途徑[10]。而基于布里淵散射或瑞利散射的光時域反射計均只能測量單一物理量,如布里淵光時域反射計(BOTDR)只能檢測光纖沿線的溫度/應(yīng)變,而相位敏感光時域反射計(Φ-OTDR)只能檢測光纖沿線的振動及分布,因此單一設(shè)備無法做到滿足多參量物理場的監(jiān)測應(yīng)用需求。針對該多參量物理場的測量需求,在BOTDR和Φ-OTDR的基礎(chǔ)上,本文提出了一種基于分布式光纖傳感的多參量測量傳感系統(tǒng),可通過一根光纖實現(xiàn)溫度/應(yīng)變和振動的同時測量,并進(jìn)行了實驗驗證得到比較好的測量效果。經(jīng)驗證分析,該系統(tǒng)的測量距離達(dá)50 km以上,空間分辨率可達(dá)20 m,溫度測量精度為±3 ℃,頻率測量精度±0.15 Hz以上。

2 基本原理

2.1 BOTDR技術(shù)

光纖中布里淵頻移υB主要決定于入射光頻率υ0、光纖介質(zhì)折射率n、光纖內(nèi)聲速V等參量[11-12]:

υB=(2υ0/c)nV

(1)

其中,c為真空中光速。當(dāng)光纖的溫度/應(yīng)變出現(xiàn)變化時,光纖介質(zhì)的折射率和聲速會隨之發(fā)生相應(yīng)的變化,使得光纖布里淵中心頻率發(fā)生改變。通過檢測布里淵中心頻率的變化量就可獲知溫度/應(yīng)變的變化量。

如圖1為基于布里淵散射的分布式光纖傳感原理圖。若z處的入射脈沖光功率為P(z),則距入射端z處的dz小段光纖上產(chǎn)生的后向布里淵散射光功率為[13]:

(2)

其中,αz是光纖衰減系數(shù);g(υ,υB)為布里增益譜[5]:

(3)

其中,w為布里淵增益譜的線寬;g0為布里淵增益譜峰值;υB為布里淵頻移,隨光纖的溫度或應(yīng)變而變化。布里淵頻移與應(yīng)變或溫度的關(guān)系為[14]:

υB(ε,T)=υB0+CT·ΔT+Cε·Δε

(4)

其中,υB0為光纖初始溫度下無應(yīng)變的布里淵頻移;CT是布里淵頻移隨溫度的變化系數(shù);Cε是布里淵頻移隨應(yīng)變的變化系數(shù)。依據(jù)光時域反射技術(shù)測量并記錄沿光纖每一點z處的后向散射光的布里淵頻移,布里淵光時域反射計即可實現(xiàn)沿光纖各位置點的應(yīng)變/溫度測量。

圖1 BOTDR系統(tǒng)

2.2 Φ-OTDR技術(shù)

相位敏感光時域反射技術(shù)(Φ-OTDR)是在光時域反射技術(shù)(OTDR)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的。如圖2所示,窄線寬激光器輸出高度相干的連續(xù)光被調(diào)制成脈沖光信號,經(jīng)由環(huán)形器進(jìn)入傳感光纖。探測光脈沖在傳感光纖中傳輸?shù)倪^程中,因為光纖沿軸向的折射率的分布的不均勻性,產(chǎn)生瑞利散射光,其中背向瑞利散射光通過環(huán)形器輸出到信號采集單元。

圖2 Φ-OTDR系統(tǒng)

當(dāng)有傳感光纖上振動發(fā)生時,瑞利散射信號會受到相位調(diào)制。在振動區(qū)域的瑞利散射信號受到的相位調(diào)制互不相同,使得信號的幅度產(chǎn)生變化,通過檢測及分析這種變化就可以探測到振動事件的發(fā)生[15]。Φ-OTDR曲線的幅度受到光纖折射率分布的影響,具有隨機性,但沒有外界擾動時,是較為穩(wěn)定的。當(dāng)發(fā)生振動時,振動位置散射信號的幅度發(fā)生變化[16]。所以觀察檢測到的后向散射曲線的時間差分,就可看出振動信號的位置。

2.3 雙參量監(jiān)測系統(tǒng)

傳感應(yīng)用中,BOTDR系統(tǒng)只能監(jiān)測光纖沿線的應(yīng)變/溫度,而Φ-OTDR只能監(jiān)測光纖沿線的振動信息。同時相位敏感光時域反射計(Φ-OTDR)和布里淵光時域反射計(BOTDR)的基礎(chǔ)均為光時域反射(OTDR)技術(shù),不同之處在于檢測的信號有區(qū)別,即瑞利散射信號和布里淵散射信號。本文所設(shè)計的雙參量分布式光纖傳感系統(tǒng)采用窄線寬脈沖光源產(chǎn)生布里淵散射信號和瑞利散射信號,并通過耦合器分離光纖中散射信號并分別檢測,具體原理圖如圖3所示。其中利用相干檢測方式來檢測光纖中的布里淵散射信號；由于光纖中的布里淵散射信號強度較瑞利散射信號弱3個數(shù)量級左右,可以忽略布里淵散射信號強度對瑞利散射信號的影響。因此采用直接檢測的方式檢測瑞利散射信號的強度變化。即該系統(tǒng)通過同時測量光纖中的瑞利散射和布里淵散射信號,在一根傳感光纖中實現(xiàn)了溫度/應(yīng)變和振動的雙參量檢測。

圖3 雙參量分布式光纖傳感系統(tǒng)

3 分析與討論

3.1 實驗裝置

圖3中所示的雙參量傳感系統(tǒng)主要由以下幾部分組成:窄線寬光源輸出連續(xù)光經(jīng)過1×2耦合器(Coupler 1)分為兩路,一路經(jīng)聲光調(diào)制器(AOM)調(diào)制成脈沖后經(jīng)過光脈沖放大器(EDFA)進(jìn)入光纖作為探測信號,另一路作為參考信號。參考信號經(jīng)電光調(diào)制器(EOM)調(diào)頻,接著通過擾偏器(PS)作用及單邊帶濾波器(Filter)后進(jìn)入耦合器(Coupler 3)。探測信號在光纖中與其作用產(chǎn)生瑞利散射及布里淵散射信號,散射信號通過環(huán)形器(Circulator)三端口輸出到1×2耦合器(Coupler 2)。其中耦合器2的一個輸出信號輸出到耦合器3并與參考信號混頻得到包含位置信息的差頻信號,通過解析得到光纖沿線的應(yīng)變/溫度信息。耦合器2的另一路信號直接被探測器(PD2)接收和采集,進(jìn)行光纖沿線振動信息分析。

DAQ最大采樣速率為100 MHz,雙通道采集,分別對應(yīng)布里淵差頻信號和瑞利散射信號。其中布里淵散射信號采集設(shè)置50 MHz,瑞利散射信號采集設(shè)置12.5 MHz。經(jīng)過DAQ采樣后,對布里淵差頻信號數(shù)據(jù)進(jìn)行洛倫茲擬合(Lorentz fitting),通過擬合的結(jié)果可以得到布里淵散射信號中心頻率(Brillouin center frequency)。進(jìn)而可以分析得到光纖沿線的溫度/應(yīng)變分布；對瑞利散射信號中進(jìn)行傅里葉變換(parallel Fourier transform)分析,得到光纖沿線的振動及幅度大小分布。實現(xiàn)溫度/應(yīng)變和振動的多參量測量。

本文通過集成BOTDR和Φ-OTDR,由單個系統(tǒng)實現(xiàn)雙參量分析解調(diào)和監(jiān)測的分布式光纖傳感探測系統(tǒng)。

3.2 實驗結(jié)果分析

為了驗證系統(tǒng)能進(jìn)行雙參量測量和分析,根據(jù)雙參量分布式光纖探測系統(tǒng)方案和結(jié)構(gòu)搭建了樣機系統(tǒng)及測試方案。如圖4所示,實驗中通過恒溫水浴槽和壓電陶瓷管(PZT)同時給同一條傳感光纖的不同位置分別加載溫度和振動信號,系統(tǒng)采集散射信號并交由上位機軟件分析。傳感光纖的總長度為50 km,將50 km末端的一段光纖(約20 m)繞成光纖環(huán)并放置于恒溫水浴槽中進(jìn)行溫度測試；在光纖45 km附近的位置接入PZT振動模塊進(jìn)行振動頻率測試及分析。得到溫度曲線及其線性曲線、頻率曲線及其線性曲線分別如圖5～8所示。

圖4 性能測試方案

圖5 不同溫度下測量效果

圖6 溫度擬合曲線圖

圖7 PZT設(shè)定值和測量值擬合曲線

圖8 PZT設(shè)定35Hz多次測量效果

3.2.1 溫度測量效果分析

將采集到的布里淵散射信號數(shù)據(jù)利用洛倫茲最小二乘法進(jìn)行擬合,分別得到光纖沿線各位置點的布里淵中心頻率。

將50 km傳感光纖末端20 m左右段置于恒溫水浴槽中,分別加熱至20.3 ℃,28.2 ℃,35.0 ℃,42.5 ℃,50.6 ℃,58.0 ℃,得到其不同溫度對應(yīng)的布里淵譜中心頻率值,圖5為檢測結(jié)果。實驗中采用多次累加平均去噪方式,減小其他因素的擾動引起的測量誤差,提高系統(tǒng)測量精度和信噪比。對數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合如圖6所示,可以看到設(shè)置溫度與獲得的布里淵散射中心頻率之間具有良好的線性關(guān)系,曲線的斜率為1.492 MHz·℃-1,線性度為0.9985。

3.2.2 振動頻率測量效果分析

對采集的振動數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域分析,通過FFT變換,在一定時間尺度上對光纖上每一點的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT分析,得到各位置點的頻域數(shù)據(jù)。如圖7所示,設(shè)定PZT頻率值為1 Hz,2 Hz,5 Hz,10 Hz,35 Hz,88 Hz,188 Hz,分析測量數(shù)據(jù)得到相應(yīng)的振動頻率值分別為1.027 Hz,1.85 Hz,5.01 Hz,10.01 Hz,34.86 Hz,88.09 Hz,188.05 Hz,線性擬合對比,其擬合斜率為1。該系統(tǒng)能準(zhǔn)確感測光纖沿線振動頻率大小,并定位。

圖8是對同一頻率(35 Hz)設(shè)定值進(jìn)行多次測量的分析結(jié)果,由圖8可知,多次測量得到的分析結(jié)果穩(wěn)定,在70Hz處有一個倍頻信號,其測量誤差為0.4 %@35 Hz。

由實驗測試結(jié)果可知:①在200 ns脈沖寬度下,系統(tǒng)測量距離可達(dá)50 km以上；② 系統(tǒng)空間分辨率可達(dá)20 m；③溫度測量精度為±3 ℃,振動頻率測量范圍為1～750 Hz@50 km,頻率測量精度為±0.15 Hz(與采樣頻率有關(guān))；④系統(tǒng)的溫度測量線性度較好,可達(dá)0.9985。

3.3 監(jiān)測參量交叉敏感實驗及分析

該系統(tǒng)在一根光纖中實現(xiàn)了溫度/應(yīng)變和振動等參量的同時監(jiān)測和解析。根據(jù)系統(tǒng)原理,其所檢測的兩個參量分別由不同的散射信號(即布里淵散射信號和瑞利散射信號)解析得到。基于前文的分析,從信號解析的角度,瑞利散射信號強度較布里淵散射信號高出3個數(shù)量級左右,因此在瑞利散射信號的檢測中可以忽略布里淵散射信號的影響。同時,對布里淵散射信號的檢測是采用相干檢測的方式,該檢測方案可以直接過濾瑞利散射信號,即排除了瑞利散射信號對布里淵散射信號的干擾；從基本原理角度,BOTDR和Φ-OTDR都是由外界信號對光纖折射率的調(diào)制而加載信息到布里淵散射信號和瑞利散射信號上,通過對不同信號的解析來分析得到外界參量的變化。所不同的是,外界參量的變化速率及對折射率調(diào)制的速率。下面通過實驗及分析驗證該系統(tǒng)的監(jiān)測參量的交叉敏感性能。

3.3.1 溫度/應(yīng)變對振動測量的影響

實際測量及應(yīng)用場景中,對振動的測量在數(shù)秒甚至更少時間內(nèi)即可完成,溫度和應(yīng)變的變化是較緩慢的,可以當(dāng)作靜止?fàn)顟B(tài)來處理。也就是說溫度和應(yīng)變對振動的影響可以忽略不計。

對于快速的應(yīng)變變化,如果是周期性的,可以轉(zhuǎn)換為振動參量進(jìn)行振動頻率測量和振幅測量,根據(jù)頻率和振幅來定性分析應(yīng)變變化趨勢。如果測量光纖長度不大于2 km,可通過設(shè)置測量參數(shù)實現(xiàn)溫度/應(yīng)變的快速測量,進(jìn)而分析其變化頻率。根據(jù)系統(tǒng)性能情況,其應(yīng)變測量頻率為0 Hz～10 Hz。

3.3.2 振動對溫度/應(yīng)變測量的影響

一般振動為連續(xù)的周期性的變化,通過對光纖的作用將振動信息加載到瑞利散射信號上。其周期大小跟振動頻率直接相關(guān)。

而溫度/應(yīng)變參量的測量是基于光纖布里淵頻移的,其單次測量時間較長,為幾十秒至幾十分鐘不等,遠(yuǎn)大于單次振動參量測量時間。為研究光纖振動對溫度/應(yīng)變(即布里淵散射頻移)的影響,設(shè)計以下實驗,具體測試方案如圖9所示。

圖9 雙參量交叉敏感試驗方案

根據(jù)圖9所示的測試方案,測量系統(tǒng)接入30 km傳感光纖,并在光纖末端串接40 m左右長度的光纖,其中20 m光纖緊密纏繞于PZT上。將PZT置于恒溫箱內(nèi),設(shè)置恒溫箱的溫度穩(wěn)定為(24 ±1 ℃)。為保證信號質(zhì)量,提高信噪比,設(shè)置疊加次數(shù)為4096,掃頻范圍跨度200 MHz,步距5 MHz,則其單次測量時間約為60 s。測試過程中,通過信號發(fā)生器給PZT加載振動信號,振動頻率范圍為0.1 Hz～1 MHz。觀察分析振動信號對布里淵頻移的影響。具體測試效果如圖10和圖11所示。尾端串接光纖布里淵頻率約為10.272 GHz,其前端20 m左右光纖由于纏繞在壓電陶瓷管上而出現(xiàn)一定應(yīng)變效果,使得該段光纖布里淵頻率變?yōu)?0.415 GHz左右。測試過程中設(shè)置信號發(fā)生器輸出不同頻率的正弦信號,振幅為0.5 V。由圖10可知,在沒有加載振動及加載不同的振動頻率振動情況下,該區(qū)段光纖布里淵散射頻率在10.411 GHz～10.417 GHz范圍內(nèi)變化,即頻率變化幅度為±4 MHz,結(jié)合溫控箱的控溫精度誤差,可知該測量結(jié)果處于系統(tǒng)測量精度范圍內(nèi)。也即是說振動不影響光纖布里淵頻率的測量,也不影響其溫度/應(yīng)變的測量。圖11展示了測試光纖段的布里淵頻率與振動頻率的關(guān)系。曲線顯示,在恒溫環(huán)境下,給光纖段加載不同振動頻率,其布里淵頻率并不隨著振動頻率而變化,處于隨機波動,波動范圍小于±4 MHz。

圖10 不同振動頻率下測試光纖段的布里淵頻移

圖11 PZT設(shè)定35 Hz多次測量效果

根據(jù)以上實驗及分析可以得到,溫度/應(yīng)變一般為緩慢的變換,相對于一般頻率(0.1 Hz～1 MHz)的振動來說,處于靜止?fàn)顟B(tài),因此不會影響振動的測量；同時振動為連續(xù)的周期性的快速變化,亦不會影響溫度/應(yīng)變的測量。即在實際應(yīng)用場景中,溫度/應(yīng)變和振動參量不會交叉敏感。

4 結(jié) 論

本文通過分析BOTDR和相位OTDR技術(shù),綜合其分布式光纖傳感技術(shù)優(yōu)勢,提出了一種多參量同時測量的分布式光纖傳感方案,將原來需要多套系統(tǒng)實現(xiàn)的傳感方案改進(jìn)為單個系統(tǒng)即可實現(xiàn)。降低了傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用成本,拓展了應(yīng)用市場領(lǐng)域。實驗結(jié)果表明,多參量分布式光纖傳感系統(tǒng)可實現(xiàn)應(yīng)變/溫度和振動信號的測量,不會產(chǎn)生溫度/應(yīng)變與振動監(jiān)測參量的交叉敏感問題。且達(dá)到測量距離50 km,空間分辨率20 m,溫度精度±3 ℃,頻率測量精度±0.15 Hz的測量效果。