分布式光纖傳感技術(shù)解析

在工程上應(yīng)用的分布式光纖傳感技術(shù)根據(jù)傳感光類型不同可分為散射光傳感和前向光傳感兩類。其中，散射光又分為瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射三類。

基于不同光學(xué)效應(yīng)的傳感技術(shù)可以檢測不同的物理參量?；谌鹄⑸涞墓饫w傳感技術(shù)工程上主要用于檢測振動(dòng)與聲音信號(hào)，基于拉曼散射的光纖傳感技術(shù)工程上主要用于溫度的測量，而基于布里淵散射的光纖傳感技術(shù)工程上主要用于應(yīng)變與溫度的雙參數(shù)測量，基于前向光干涉的光纖傳感技術(shù)工程上主要用于振動(dòng)與聲音的檢測。

前向光干涉的分布式光纖傳感技術(shù)

基本干涉型結(jié)構(gòu)的分布式光纖傳感在工程上主要使用主馬赫-澤德爾、邁克爾遜、薩格奈克干涉三種類型，其光路結(jié)構(gòu)如圖1所示，均是擾動(dòng)改變了相位，進(jìn)而通過干涉光強(qiáng)變化來檢測振動(dòng)。馬赫-澤德爾使用兩個(gè)耦合器，邁克爾遜、薩格奈克干涉使用一個(gè)耦合器，不同的是邁克爾遜干涉需要兩個(gè)旋轉(zhuǎn)鏡。上述結(jié)構(gòu)的光纖傳感在工程上應(yīng)用需鋪設(shè)兩根光纖。

圖1 基本干涉法的光路結(jié)構(gòu)

如圖2是一種直線型薩格奈克方案。其特點(diǎn)在于僅需一根傳感光纖即可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的拾取，實(shí)用性強(qiáng)。兩束干涉光光程差相同，對(duì)光源線寬要求低，成本低，檢測靈敏度高，信號(hào)還原性能好。然而其依然存在振動(dòng)定位難、無法多點(diǎn)定位等問題，導(dǎo)致在需要精確定位及多點(diǎn)振動(dòng)監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用受限。

圖2 直線型薩格奈克系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

散射光干涉的分布式光纖傳感技術(shù)

1.R-OTDR（Raman Optical Time-Domain Reflectometry ）拉曼光時(shí)域反射分布式光纖傳感技術(shù)

分布式拉曼溫度傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。入射脈沖光產(chǎn)生后向拉曼散射光，其光強(qiáng)隨光纖溫度的變化而變化，對(duì)探測到的后向拉曼散射光進(jìn)行解調(diào)，光電探測器完成光電轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化后的微弱電信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大電路放大，由數(shù)據(jù)采集卡采集并傳輸給計(jì)算機(jī)，通過數(shù)據(jù)處理便可獲得光纖沿線的溫度。工程上應(yīng)用于矸石山火險(xiǎn)預(yù)警、電纜溫度檢測、帶式輸送機(jī)火險(xiǎn)預(yù)警以及隧道火險(xiǎn)預(yù)警等場景。

圖3 分布式拉曼溫度傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

R-OTDR的進(jìn)一步發(fā)展仍面臨很多挑戰(zhàn)，如在單模光纖的應(yīng)用中信噪比不高導(dǎo)致的測量精度低的問題，進(jìn)一步提升傳感距離、空間分辨率、測溫精度及響應(yīng)速度等問題。

2.φ-OTDR（Phase Sensitive Optical Time-Domain Reflectometry）相位敏感光時(shí)域反射分布式光纖傳感技術(shù)

φ-OTDR在工程上主要有直接探測與相干探測兩種方案。其中，直接探測結(jié)構(gòu)更為簡單，信號(hào)處理簡單，但準(zhǔn)確還原波形較為困難。相干探測的信號(hào)靈敏度更高，擁有更高的空間分辨率和信噪比，頻帶響應(yīng)范圍更寬，能準(zhǔn)確還原信號(hào)。工程上主要應(yīng)用在燃?xì)夤芫€、周界安防、軌道交通、電纜舞動(dòng)、地震波探測、局部放電等檢測場合。

直接探測型通過差分?jǐn)_動(dòng)前后的散射曲線來進(jìn)行振動(dòng)定位，其效果受振動(dòng)頻率、差分點(diǎn)數(shù)和脈沖重復(fù)頻率的影響。直接探測型φ-OTDR的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，其原理為通過對(duì)后向散射曲線采集與處理，檢測振動(dòng)信號(hào)對(duì)光相位和強(qiáng)度的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的定位、還原。

圖4 直接探測型φ-OTDR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

相干探測型φ-OTDR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，與直接探測型的區(qū)別在于，引入本征光提升散射光信號(hào)功率，增強(qiáng)系統(tǒng)信噪比。光電探測器輸出的信號(hào)經(jīng)IQ解調(diào)可獲得正交信號(hào)，經(jīng)過進(jìn)一步的處理便可解調(diào)出振動(dòng)信號(hào)的幅值與相位。

圖5 相干探測型φ-OTDR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

當(dāng)前φ-OTDR分布式光纖振動(dòng)傳感技術(shù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)主要有：信號(hào)衰落的抑制與實(shí)時(shí)振動(dòng)波形還原、傳感距離與空間分辨率提升、振動(dòng)方向識(shí)別與振動(dòng)類型智能模式識(shí)別。

3.B-OTDR（Brillouin Optical Time-Domain Reflectometry）布里淵光時(shí)域反射分布式光纖傳感技術(shù)

BOTDR是在OTDR基礎(chǔ)上結(jié)合光纖中的自發(fā)布里淵散射效應(yīng)完成溫度/應(yīng)變測量的分布式光纖傳感技術(shù)。當(dāng)光纖受到拉伸或壓縮時(shí)，應(yīng)力變化會(huì)導(dǎo)致后向布里淵散射光產(chǎn)生頻率漂移，通過解調(diào)漂移量可實(shí)現(xiàn)應(yīng)變測量；光纖的溫度變化同樣會(huì)導(dǎo)致布里淵散射光發(fā)生頻率漂移，根據(jù)頻移量可解調(diào)出溫度信息。

BOTDR是基于布里淵效應(yīng)的單端抽運(yùn)光時(shí)域反射技術(shù)，具有很大的優(yōu)勢，結(jié)構(gòu)簡單，只需在一端輸入激光，在工程中應(yīng)用前景廣泛。基于BOTDR的分布式光纖傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。在光路進(jìn)行相干探測，在電路進(jìn)行頻率掃描，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后可得到光纖沿程的布里淵頻移量，即可解調(diào)出應(yīng)變與溫度信息。這種方法可用于建筑變形監(jiān)測、地質(zhì)沉降監(jiān)測、橋梁變形監(jiān)測、隧道變形監(jiān)測等。

圖6 BOTDR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在工程上如何實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)布里淵頻移解調(diào)、長距離高空間分辨率高精度檢測、解決溫度與應(yīng)變交叉敏感等問題是BOTDR進(jìn)一步應(yīng)用所面臨的一系列挑戰(zhàn)。

綜述所述，基于前向光干涉與散射光原理的分布式光纖傳感技術(shù)在工程上均獲得了應(yīng)用，隨著成本的進(jìn)一步降低、指標(biāo)參數(shù)的進(jìn)一步提升、可靠性的進(jìn)一步提高，同時(shí)具有長距離、抗電磁干擾、多參數(shù)測量等優(yōu)勢，分布式光纖傳感技術(shù)在工程上的應(yīng)用必將越來越廣泛。