長距離分布式光纖傳感技術(shù)研究

黃興旺

(上海傲世控制科技股份有限公司 上海 201801)

將長距離分布式光纖傳感技術(shù)合理運(yùn)用至軌道交通、石油電氣、建筑工程、結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域，在正常操作下可以保障各個(gè)項(xiàng)目、各項(xiàng)儀器設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。為此，針對長距離分布式光纖傳感技術(shù)的實(shí)際運(yùn)用及其相關(guān)技術(shù)體系展開系統(tǒng)分析與探究，勢在必行。

1 長距離分布式光纖傳感技術(shù)優(yōu)勢及其重要性分析

對于分布式光纖傳感技術(shù)而言，其核心競爭力具體表現(xiàn)在：準(zhǔn)確度高、容錯(cuò)率高、定位精確、功能平穩(wěn)，無需為光纖配備專門的傳感器、信號接收器，便能順利實(shí)現(xiàn)傳感與信號傳輸，滿足了超長距離、超長時(shí)間、大規(guī)模、大范圍的組網(wǎng)、傳感；并且可以在較短時(shí)間之內(nèi)收集到數(shù)以萬計(jì)的傳感信息、傳感數(shù)據(jù)與傳感資源。憑借其在傳感距離、傳感時(shí)間、傳感范圍等多重優(yōu)點(diǎn)，其在電路纜線的溫度測控、軌道交通的安全運(yùn)行、列車的精準(zhǔn)測速與定位、各類建筑工程的結(jié)構(gòu)裂變檢測、石油的安全開采與運(yùn)輸、各類變壓器的溫度測量等領(lǐng)域中得到了極為廣泛且深入的應(yīng)用。為此，深入探析長距離分布式光纖傳感技術(shù)的實(shí)際運(yùn)用及其相關(guān)技術(shù)體系，已逐漸成為我國電信科技單位現(xiàn)階段的重要研究方向之一[1]。

2 長距離BOTDA發(fā)展歷程的簡要概述

長距離BOTDA 是20 世紀(jì)90 年代末由Horiguchi、Tateda 等人提出，因其在信噪比、檢測長度、測量精度等方面的先天優(yōu)勢，在光纖通信領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣，現(xiàn)如今各國研究學(xué)者的高度重視長距離BOTDA的技術(shù)與應(yīng)用研究。實(shí)際上，BOTDA距離的延伸長度和精度范圍之間存在著制約關(guān)系，其根本原因在于：（1）光纖損耗使得信噪比下降；（2）非局域效應(yīng)的產(chǎn)生。在這種背景下，長距離BOTDA 要想實(shí)現(xiàn)技術(shù)革新，必須在提升信噪比、克服非局域效方面繼續(xù)努力、尋求突破。長距離BOTDA 早期主要集中于非歸零碼（NRZ）以及有效防止其中連“1”碼而造成布里淵增益譜形變等方面的研究。直至2010 年由Soto 等人通過歸零編碼實(shí)現(xiàn)傳感光纖測量精度與信噪比上的突破。隨著時(shí)代的高速發(fā)展，光脈沖編碼和分布式拉曼放大成為了提升信噪比的方法?？傮w來說，長距離BOTDA的研究步履不斷向前，前途無限。

3 布里淵光時(shí)域（BOTDA）技術(shù)解析

以BOTDA 為技術(shù)支撐的分布式光纖傳感技術(shù)架構(gòu)具體表現(xiàn)在：基于BOTDA技術(shù)，在BOTDA傳感系統(tǒng)中合理安設(shè)專門的電光調(diào)制器，進(jìn)而更好地滿足分布式溫度的測量要求。實(shí)際上，無論是BOTDR、BOFDA，抑或是BOTDA，其基本的工作原理都離不開布里淵散射，BOTDA（Brillouin Optical Time Domain Analysis）技術(shù)是以受激布里淵散射原理作為基礎(chǔ)，通過光纖內(nèi)部的布里淵散射光的實(shí)際頻率大小、具體頻移量、光纖軸向應(yīng)變的系統(tǒng)分析、準(zhǔn)確判斷、有效處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)傳感。因?yàn)?，存在于傳感光纖的布里淵散射其實(shí)就是非線性散射效應(yīng)的客觀呈現(xiàn)。然而，在一般情況下，非線性散射與入射光間的頻率并不完全保持一致[2]。所以，布里淵散射又名布里淵頻移，其實(shí)際頻移量的具體數(shù)值與應(yīng)變、溫度間在數(shù)學(xué)模型上具體表現(xiàn)為線性關(guān)系。針對長距離分布式光纖傳感所產(chǎn)生的布里淵散射情況展開系統(tǒng)分析后，可以合理構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，最終計(jì)算出應(yīng)力、溫度的具體呈現(xiàn)狀況與波動(dòng)情況。BOTDA作為光纖傳感領(lǐng)域核心技術(shù)來源之一，能夠?qū)Υ郎y區(qū)域與待測目標(biāo)物體的空間分辨率（spatial resolution）、具體方位、時(shí)間距離等具體情況予以有效檢測，極大地提升了監(jiān)測過程中的科學(xué)性與合理性。就現(xiàn)階段而言，我國各行各業(yè)的所需的機(jī)械設(shè)備裝置監(jiān)測環(huán)節(jié)也逐漸將BOTDA投入實(shí)際應(yīng)用，用于監(jiān)測設(shè)施結(jié)構(gòu)的溫度變化與健康安全狀況，使機(jī)械設(shè)備裝置結(jié)構(gòu)監(jiān)測準(zhǔn)確度、監(jiān)測效率得以顯著提升，保障了大型設(shè)施設(shè)備的運(yùn)行安全[3]。隨著科技的不斷發(fā)展，電信科技單位的科研團(tuán)隊(duì)針對各種分布式光纖傳感技術(shù)進(jìn)行了深度分析，使分布式光纖的傳感距離得以進(jìn)一步提升。此外，隨著分布式光纖傳感技術(shù)體系的不斷充實(shí)與完善，分布式光纖的傳感距離、傳感范圍將會(huì)持續(xù)增強(qiáng)。

3.1 以放大環(huán)形腔隨機(jī)光纖激光為基礎(chǔ)的長距離BOTDA

形腔光纖激光器（Ring Cavity Laser）因制作成本偏低、能耗比高、工作效率高、運(yùn)行結(jié)構(gòu)簡易等特性而備受光纖傳感領(lǐng)域的科研人士與研究學(xué)者的喜愛。通常來說，拉曼放大器（DRA）是以超長光纖激光器（ULFL）的抽運(yùn)為基礎(chǔ)，能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)輸入光信號的適當(dāng)放大[4]。與此同時(shí)，分布式拉曼放大器（DRA）還可以采用環(huán)形腔，相較于線性腔，環(huán)形腔的優(yōu)勢在于：擁有的調(diào)控維度的選擇權(quán)更多。合理運(yùn)用環(huán)形腔，對系統(tǒng)予以科學(xué)分析、系統(tǒng)處理、合理設(shè)計(jì)，可以適當(dāng)減弱抽運(yùn)探測過程中所產(chǎn)生的噪聲影響；在此基礎(chǔ)上，對于順利達(dá)成擴(kuò)大系統(tǒng)末端高性噪比的面積與范圍[5]。

3.2 將低噪聲LD與隨機(jī)光纖激光放大為基礎(chǔ)的長距離BOTDA

一般情況之下，以獨(dú)立隨機(jī)光纖激光器（RFL）抽運(yùn)為基礎(chǔ)的前向分布式拉曼放大（DRA）技術(shù)在實(shí)際運(yùn)行過程中不會(huì)產(chǎn)生過多噪聲，能夠順利在長距離分布式傳感環(huán)節(jié)得以有效運(yùn)用并發(fā)揮其作用功效。其RFL產(chǎn)生激射現(xiàn)象的根本原理在于：隨機(jī)分布瑞利散射以及拉曼放大效應(yīng)。因?yàn)?，RFL 的標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)偏低；所以，將其投入實(shí)際應(yīng)用并落實(shí)到具體的項(xiàng)目環(huán)節(jié)中極有可能出現(xiàn)很多缺陷與不足。為有效處理該問題，應(yīng)該多方對比各種方式方法的優(yōu)劣勢，結(jié)合實(shí)際情況，有針對性地選取低噪聲激光二極管一處抽運(yùn)與RFL二階抽運(yùn)的混合DRA 方案，以期促進(jìn)系統(tǒng)整體信噪比的有效提升。

4 相位敏感型光時(shí)域反射儀（Φ-OTDR）

長距離分布式光纖傳感技術(shù)作為光纖傳感技術(shù)系統(tǒng)的重要組成部分之一，具有強(qiáng)大的傳輸、傳感功能,能夠?qū)崿F(xiàn)超長距離、超大范圍的高密度的溫度、應(yīng)變、振動(dòng)全分布式測量。其中，分布式光纖傳感技術(shù)中的新生技術(shù)相位敏感型光時(shí)域分析儀（Φ-OTDR），很快憑借其技術(shù)優(yōu)勢迅速在光纖傳感領(lǐng)域站穩(wěn)腳跟，隨著Φ-OTDR 應(yīng)用的逐漸深入，使Φ-OTDR 在軌道交通、石油電氣、結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域的振動(dòng)測量中得以充分有效利用。尤其是在應(yīng)用Φ-OTDR 攻克了瑞利散射的相位解調(diào)難題之后，不僅有效地解決了相位解調(diào)的技術(shù)瓶頸問題，而且對于Φ-OTDR 的應(yīng)用延伸與拓展也發(fā)揮著重要作用[6]。在Φ-OTDR的拓展運(yùn)用過程中，由ΦOTDR 相關(guān)技術(shù)衍生并發(fā)展起來的DAS，具備超遠(yuǎn)距離分布式測量聲波的能力，極大程度地提高了聲波測量的科學(xué)性與有效性。由此可見，Φ-OTDR 擁有著非常光明的發(fā)展前景。19 世紀(jì)80 年代末，Michael Barnoski 博士提出了OTDR（Optical Time Domain Reflectometer），較之于傳統(tǒng)測量儀器，可以順利完成全方位、長距離、全過程、不間斷的分布式測量。傳感光纖充分利用了光導(dǎo)纖維的傳光特性，把待測物理量轉(zhuǎn)化成能夠直接測量的光特性，如相位、偏振態(tài)、波長……ΦOTDR 的具體工作原理在于：將特定光脈沖傳輸至光纖，在將光脈向光纖輸入的時(shí)候，光脈沖會(huì)出現(xiàn)散射、反射現(xiàn)象。此過程中，部分散射光、反射光會(huì)通過同一方式回到輸入端，會(huì)產(chǎn)生一定的延時(shí)效應(yīng)。一段時(shí)間后會(huì)接收到反向散射脈沖回波，其中也包含了光纖介質(zhì)之間因相互作用而形成的瑞利散射光，由輸入光脈沖與脈沖回波間的時(shí)間間隔便能夠?qū)饫w散射點(diǎn)的具體方位做出初步判斷。OTDR作為長距離分布式光纖傳感器，其核心性能參數(shù)指標(biāo)涵蓋了動(dòng)態(tài)范圍、空間分辨率、采樣率等在內(nèi)的多個(gè)性能指標(biāo)?，F(xiàn)如今，光纖傳感領(lǐng)域的科研人士與研究學(xué)者、研究人員正在努力探究Φ-OTDR，發(fā)現(xiàn)無論是以雙向一階拉曼還是以分區(qū)型混合放大為基礎(chǔ)的Φ-OTDR 均能強(qiáng)化傳感光纖的傳感距離，增強(qiáng)傳感光纖的傳感距離，提升傳感光纖的空間分辨率、敏銳性，從而進(jìn)一步拓展Φ-OTDR 在各個(gè)行業(yè)、各個(gè)領(lǐng)域的深度應(yīng)用。

5 關(guān)于長距離分布式光纖傳感技術(shù)體系的實(shí)踐運(yùn)用探析

5.1 應(yīng)用于石油管道、海底管道的安全檢測

在針對石油管道、海底管道組織、開展安全監(jiān)測的過程中，合理運(yùn)用長距離分布式光纖傳感技術(shù)，不僅可以在一定程度上減少來自第三方因素的影響與干擾，而且還可以對不同類型、不同深度的管道予以監(jiān)測，從而更好地監(jiān)測石油管道、海底管道的安全質(zhì)量狀況，對石油管道、海底管道存在的安全隱患予以及時(shí)有效的監(jiān)管與控制[7]。眾所周知，石油管道、海底管道分布范圍廣、布局面積大、管道距離長，這無疑是加大了石油管道、海底管道的安全監(jiān)測難度。在長距離管道質(zhì)量安全監(jiān)測過程中，充分發(fā)揮分布式光纖傳感技術(shù)功能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、耐久性能佳等顯著優(yōu)勢，不僅可以對石油管道安全監(jiān)測中心動(dòng)作予以系統(tǒng)檢測，還可以防止因人類活動(dòng)、機(jī)械施工或車輛運(yùn)行等人為及外界因素帶來的振動(dòng)干擾。除此之外，將長距離分布式光纖傳感技術(shù)運(yùn)用于石油管道、海底管道的安全監(jiān)測的過程中，可以適當(dāng)接入增壓站點(diǎn)的通信光纜，以實(shí)現(xiàn)長距離石油管道的系統(tǒng)監(jiān)測與科學(xué)管控，極大程度地減少了原料產(chǎn)品的消耗，降低了經(jīng)濟(jì)損失，對于長距離石油管道、海底管道的質(zhì)量安全檢測、后續(xù)運(yùn)維工作的順利開展與穩(wěn)定推進(jìn)提供了技術(shù)支撐。

5.2 城市軌道交通領(lǐng)域

5.2.1 軌道列車運(yùn)行監(jiān)測

在現(xiàn)代化軌道交通事業(yè)的快速發(fā)展中，城市軌道交通工程項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模在不斷擴(kuò)大，對技術(shù)體系、工程管理提出了更加嚴(yán)格的要求?，F(xiàn)如今，我國軌道交通系統(tǒng)依舊沿用動(dòng)車控制系統(tǒng)（CBTC）對軌道列車行駛過程中的行駛速率、運(yùn)行方向與具體方位予以監(jiān)測與控制，以此來保證軌道列車的運(yùn)行安全與行車穩(wěn)定[8]。從某種意義上講，以通信為基礎(chǔ)的動(dòng)車控制系統(tǒng)通過及時(shí)獲取軌道電路信息可以有效實(shí)現(xiàn)軌道列車精準(zhǔn)定位和速度測量。然而，軌道交通動(dòng)車軌道電路防雷舉措在面臨一些特殊氣候環(huán)境的時(shí)候，比如暴雪、暴雨、雷雨、冰雹等惡劣天氣條件，軌道電路極有可能出現(xiàn)控制失效、調(diào)度失敗等情況，致使軌道動(dòng)車在實(shí)際運(yùn)行環(huán)節(jié)意外事故、安全情況的發(fā)生概率急劇增長。譬如說：2019年，柳州至武漢的G436高鐵車廂上方電力引擎疑似遭到雷擊，突發(fā)意外導(dǎo)致鐵路列車緊急停車、停電；還有著名的“5.26京廣高鐵雷擊事件”給軌道交通安全帶來了極大的負(fù)面影響，阻礙了列車的正常行駛。將長距離分布式光纖傳感技術(shù)體系應(yīng)用于城市軌道交通系統(tǒng)，充分發(fā)揮高速動(dòng)態(tài)振動(dòng)測量的特性，為列車科學(xué)規(guī)劃行車方向及運(yùn)動(dòng)曲線，以實(shí)現(xiàn)軌道列車精準(zhǔn)定位和速度測量，通過Φ-OTDR 可以列實(shí)現(xiàn)對軌道列車長距離的有效準(zhǔn)確監(jiān)測，增強(qiáng)了列車的抗電磁干擾能力，可以有效降低軌道電路出現(xiàn)調(diào)度事故的概率，全面保障地鐵運(yùn)行的安全性，推動(dòng)城市軌道交通事業(yè)的持續(xù)發(fā)展與快速進(jìn)步[9]。

5.2.2 地鐵隧道監(jiān)測

一般情況下，地鐵隧道建成、試運(yùn)行結(jié)束后，就會(huì)馬上投入實(shí)際運(yùn)行，地鐵在長期運(yùn)行過程中，地鐵隧道結(jié)構(gòu)可能會(huì)產(chǎn)生系列安全問題如地基塌陷、地面不平、沉降不均等，尤其是在采用軟土地基作為路面鋪設(shè)的情況下，由于，軟土地基的地表水量充足，吸收水、儲(chǔ)存水能力強(qiáng)、含水量較高，且其耐剪程度不高。因此，軟土地基在支撐性、抗逆性等方面的性能不強(qiáng)，容易讓地鐵隧道出現(xiàn)彎曲、變形、裂縫，急需為地鐵隧道制訂實(shí)時(shí)全程健康監(jiān)測方案。長距離分布式光纖傳感技術(shù)具有準(zhǔn)確度高、容錯(cuò)率高、定位精確等多重優(yōu)勢，將長距離分布式光纖傳感技術(shù)運(yùn)用于地鐵隧道監(jiān)測，可以提升地鐵隧道監(jiān)測的科學(xué)性、準(zhǔn)確性與合理性。在實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)，首先，應(yīng)該對長距離傳感光纖的監(jiān)測性能予以合理標(biāo)定。在工程項(xiàng)目建設(shè)環(huán)節(jié)可采取如下布設(shè)方法具體如下：第一，緊套光纜并將之安設(shè)于混凝土墊層內(nèi)；第二，使用鋁塑管等材料加強(qiáng)對光纜的保護(hù)，隨后將其安設(shè)于混凝土墊層內(nèi)。其次，在工程實(shí)際施工環(huán)節(jié)應(yīng)該結(jié)合施工要求選擇光纖進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，由于施工環(huán)境較為復(fù)雜，直接布設(shè)光纜容易破損，應(yīng)該先布設(shè)鋁塑管，在此基礎(chǔ)上，將光纖安設(shè)于鋁塑管內(nèi)。此外，還應(yīng)將光纜安置在隧道結(jié)構(gòu)表面，從而精確測量其相應(yīng)性能。將長距離分布式光纖傳感技術(shù)運(yùn)用于地鐵隧道監(jiān)測可以為其提供全程應(yīng)變監(jiān)測，精準(zhǔn)測量地鐵隧道長距離、線性結(jié)構(gòu)的應(yīng)變狀況，極大地提升地鐵隧道監(jiān)測的準(zhǔn)確性與實(shí)效性，為有效預(yù)防事故災(zāi)難很有幫助。

6 結(jié)語

作為光纖傳感領(lǐng)域的核心一環(huán)，在軌道交通、石油電氣、建筑工程等領(lǐng)域充分利用長距離分布式光纖傳感技術(shù)研究，把握其關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)，除了便于定位分析、精準(zhǔn)測量之外，還能有效應(yīng)對、解決傳感、傳輸、測量等系列問題，有助于為各行各業(yè)提供良好的決策性、洞察性幫助。放遠(yuǎn)未來，新時(shí)代背景下，我國應(yīng)該加大分布式光纖傳感技術(shù)體系的創(chuàng)新力度，完善管理機(jī)制，進(jìn)而全面推動(dòng)光纖傳感領(lǐng)域的有效創(chuàng)新以及未來發(fā)展。