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基于φ-OTDR的分布式光纤传感技术的现状与发展

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圃∞ 中文核心期刊 基于‘f>一OTDR的分布式光纤传感技术的现状与发展 袁晓月,谭中伟 (北京交通大学电子信息工程学院。北京100044) 摘要:为使业内科研人员结合目前分布式光纤传感技术的现状,进一步提高分布式光纤传感器的传感距 离、空间分辨率和灵敏度,文中对基于相位敏感光时域反射( ̄p-OTDR)的分布式光纤传感技术的发展和研 究现状进行了梳理分析和总结,介绍了目前光纤网络部署的光纤传感和光纤监测技术,重点对基于  ̄-OTDR的分布式光纤传感技术前景进行探讨和展望。 关键词:分布式;光纤传感系统;相位敏感光时域反射;瑞利散射 中图分类号:TN915.62 文献标识码:A 文章编号:1002—5561(2018)02—0023—04 DOI:10.13921 ̄.cnki.issnl002—5561.2018.02.007 Status and development of distributed optical fiber sensing technology based on‘P—OTDR YUANXiaoyue,TANZhongwei (School of Electronic and Information Engineering, Beijing Jiaotong University,Beijing 1 00044,China) Abstract:In order to enable the researchers in he tindustry to combine the current status of distributed optical ifber sensing technology and further improve he sensitng distance,spatial resolution and sensitivity of the dis— tributed optical ifber sensor,this paper analyzed and summarized the development and research status of a dis— tributed optical fiber sensing technology based on the phase·sensitive optical time domain reflectometry(‘p —OTDR).And introduced he opttical ifber sensing and optical ifber monitoring technologies deployed in opti· cal fiber networks.It emphatically discussed he tprospect of‘D·OTDR distributed optical fiber sensing tech- nology. Key words:distributed;optical ifber sensing system;‘P—OTDR;rayleigh scattering 0引言 近年来.随着互联网技术的快速发展。基于互联 户(FTFH)J]I ̄务首次被提出.随着用户数量的不断增加. 安装光缆数量与日俱增。为了有效保证光纤网络的维 网的云计算、虚拟现实、无人驾驶以及物联网等技术 有着巨大的发展潜力.同时也给通信网络提出了更高 的要求。光通信凭借其网络高带宽、低损耗和抗电磁 干扰的优势,成为了构建高速网络的最重要的基础. 护和运行.光纤链路的检测成为业内关注的重点。 通信系统中光纤监控的基本功能旨在对光纤线 路故障进行检查.并在适当的分辨率下将故障定位后 进行维护。在光通信系统中,光时域反射(OTDR)技 术是一项有前景的光纤监测技术.操作员可以在中心 站(或通过网络远程)进行测试.而无需在客户的家中 安装任何设备 本文重点介绍近年来OTDR技术的最 新进展情况、OTDR技术的原理和‘p—OTDR的应用与 优势 目前在骨干网和城域网中已经普遍使用光纤作为传 输介质。20世纪80年代。日本开始在潜艇和主干系统 部署光纤网络满足宽带通信的需求。2001年光纤到 收稿日期:2017—10—24。 基金项目:国家自然科学基金(61177012)资助。 作者简介:袁晓月(1990一),女,硕士研究生,主要研究方向为光通信与 光电子器件方面 2018年第2期兜雹詹考重.书◎ 圈∞ 袁晓月.谭中伟:基于ko-OTDR的分布式光纤传感技术的现状与发展 1分布式光纤传感技术在光网络中的应用 在本节中.我们重点介绍OTDR技术在当前光接 考虑非线性效应的影响.例如自发喇曼散射的测量【3]。 根据传输设备的要求,当传输系统搭建时.也需要 入网、骨干网和海底光缆中的应用。 1.1 OTDR技术在光接入网的应用 考虑光纤光谱衰减和色散特性.如色散和偏振模色 散(PMD)。 现已部署的光纤线路测试系统能够支持光接入 网中大量光纤线路的铺设、重新配置和维护功能㈣。在 光接入网的光纤监测系统中.维护中心的运营商通过 1.3 OTDR技术在海底光缆中的应用 海底光缆系统分为两类:一类包括用于长途应用 的中继系统,其通过使用掺铒光纤放大器(EDFA)和馈 数据网络向光测试模块(OTM)发送命令,告知其进行 各种测试。安装在光分配框架中的OTM包含多种类 电技术经海底光缆将信号传输数千千米:另一类包括 用于几百千米的短距离应用的无中继系统 为了监测 型的光纤测量设备.如OTDR单元、光纤识别光源和 功率计 光纤选择器的光开关用来选择目标光纤,光 长距离的海底光缆,采用相干光时域反射(C—OTDR), 通过外差检测提高接收机的灵敏度来达到量子极限. 耦合器将测试光引入到目标光纤中.在施工过程中进 行OTDR测试.以测量接合点的损耗和反射率,其典 型分辨率约为20m。当故障或警报发生时,该系统可 其分辨率往往超过一千米。大致来说.无中继系统的 监控与有中继光网络基本相同。在中继系统中.EDFA 包含光隔离器和自动电平控制(ALC)电路,以稳定通 以区分传输设备和光纤线路之间的故障.并识别故障 位置。 过放大器的通信信号的增益特性 图2为有中继海底 光缆的基本监测结构[41 光隔离器可以隔离任何反向 1.2 OTDR技术在光骨干网的应用 散射光.一个耦合比1:10的光耦合器连接下游线路和 上游线路 下游线路的第二窗口和后续窗口中产生的 后向散射光会沿着上游线路传播回来.然后在C—OT— 光骨干网是中心站之间的重要通信线路.典型的 通信长度可达80km 光骨干网的基本结构如图1所 示.与光接入网不同,光骨干网光缆中的光纤数量较 DR中进行监测。监测参数包括放大器增益、光纤损耗 少.仅使用一对光纤作为上,下行的传输线路。相对于 光接入网而言.光骨干网拥有相对较低的损耗和更长 的通信距离。OTDR用于铺设、发现故障和定期测试时 和光纤故障定位 下行链路 的监测.分辨率为几百米。当光骨干线的链路损耗超 过OTDR的动态范围时.需要从光骨干线的两端进行 双向测量。由于光骨干线中密波分复用(DWDM)和疏 波分复用(CWDM)可以传输很高的光功率.所以需要 中心站 中心站 —◆探测光 ….--反射光 图2海底光缆监测系统的基本结构 2基于 ̄--OTDR的分布式光纤传感技术 ‘p—OTDR是一种新型的分布式光纤传感技术嘲。 与传统的OTDR一样.光脉冲从传感器光纤的一端注 入.然后由检测器接收到瑞利散射光通过信号解调获 得必要的信息。不同的是,‘p—OTDR使用脉冲光强相干 的窄线宽激光器.因此该系统输出的就是脉冲宽度范 圈1光骨干网监测系统的基本结构 围内不同散射点产生的后向散射瑞利光相互干涉的 ③.允盈信牧采2018年第2期 图 袁晓月.谭中伟:基于q ̄-OTDR的分布式光纤传感技术的现状与发展 结果。再通过测量输入脉冲光与接收到瑞利散射信号 之间的时间延迟来判断振动点的位置网。当感应光纤 受到外部振动的影响时,光纤在相应位置的折射率将 发生变化,这将导致相应位置光学相位的变化。光相 位的变化将最终反映在瑞利散射干涉信号的幅度信 息上。因此.最终的干扰结果将直接反映干扰点的位 置.从而可以确定外部干扰的具体位置.其基本结构 如图3所示 振动 电子科技大学的饶云江教授等人【 01一直研究基于 双向喇曼放大的超远距离的‘p—OTDR系统,通过喇曼 放大补偿后向瑞利散射的光功率.完成了对超长距离 光纤的振动监测.到2014年。其最大传感距离已经达 到128km,空间分辨率为15m,结构如图5所示。同年, Hugo F.Martins等人[hi利用一阶喇曼放大提升‘D— OTDR性能.实现了在振动频率达到250Hz和300Hz 时,最大传感距离分别达到125km和110km.空间分 辨率为10m 驱动 ———-、5O:5O广——_1广—一 窄线宽 激光器 信号 处理 壹啦 光电 探测器 激光器 ’)1-|调制器H放大器 采集 圈3‘p—OTDR基本结构图 目前,基于‘p—OTDR的分布式光纤传感技术的方 案很多。1993年,美国TAMU的科研人员首次提出‘p— OTDR技术I71.他们发现在光纤中注入超窄线宽激光脉 冲之后.利用外界振动对后向瑞利散射光相位的调制 特性可以进行振动测量。经过20多年的发展,‘p—OT. 脉冲波形 耦合嚣 50:50 平衡探测器 ~(== DR技术从系统结构、数据处理和应用范围都已经取 得了很大的进步 2012年.中科院上海光机所梁可桢等人[81提出了 一圈5基于一阶双向喇曼放大和外差检测的 ̄-OTDR 可以看出.基于一阶双向喇曼放大和外差检测 种基于数字相干检测和微纳滤波技术的‘p—OTDR。 的组合,实现了具有传感距离(>100km)和空间分辨 通过数字相干检测技术.解调出了瑞利信号的振幅和 率(<10m)的高灵敏度‘p—OTDR系统。在传感距离、空 相位.实现了对加载在3.5km传感光纤上一个位于 640~645m处、振动频率为200Hz的正弦振动信号位 置和频率的探测。系统的空间分辨率为5m。 2013年.Hugo F.Martins等人[91第一次提出了用 间分辨率和灵敏度三方面实现了总体提升 2017年,安徽大学俞本立教授等人【 2】通过在‘p— OTDR系统中采用统计计算方法进行误差抑制.他们 根据时差分析提出振动分离方法.将影响光纤的两个 振动源成功分离.目前实验成功分离的概率达到 于超声波振动测量高精度基于‘p—OTDR的光线传感 器。该传感器能够在高达1.25km的范围内测量高达 39.5kHz的振动。分辨率为5m,其结构如图4所示。 信号发生器 70%。采用误差抑制的‘p—OTDR分布式传感系统结构 如图6所示 98% 。 % f 竺查兰竺 竺竺 __一 \2%I触发 , ④I I 圈6采用误差抑制的 ̄-OTDR分布式传感系统 最近.南京大学张旭苹等人【13】提出一种如图7所 示的新型‘p—OTDR系统,该系统通过非平衡3x3耦合 器结构,将来自两个相邻UWFBG的反射光混合,然后 图4 ̄-OTDR分布式超声波振动传感系统 分为三部分进行相位解调。张旭苹等人还介绍了一种 2018年第2期兜强 客李氢.书⑤ 固 袁晓月.谭中伟:基于q ̄-OTDR的分布式光纤传感技术的现状与发展 提高检测振动频率范围、降低系统成本以及简化系统 结构,使‘p—OTDR技术更加稳定地投入到实际应用 中,还需要进一步优化和改进。 参考文献: [1]ARIIM,AZUMAY,EN0MOTOY,eta1.Opticalfibernetwo ̄opera- tion technologies for expanding optical access network services[J].NTT Technical Review,2007,5(2):32—38. 【2]ENOMOTO Y,IZUMITA H,MINE k et a1.Design and performance of novel optical fiber distribution and management system、Ⅳi也testing func— tions in central ofice[fJ】.Journal ofLightwave Technology,201 l,29(12): 1818—1834. 【3】REICHMANN K C,FRIGO N J,ZHOU X.In—service OTDR limitations in CWDM systems caused by spontaneous Stokes and ntai—Stokes Rarnan scattering[J].IEEE Photonics Technology Letters,2004,l6(7):1787-1789. 【4】FURUKAWA S,TANAKA KOYAMADA Y,et a1.Enhanced coher- ent OTDR for long span optical transmission lines containing optical fiber ampliifers[J].IEEE Photonics Technology Letters,1995,7(5):540—542. 【5】谢孔利.基于‘P·OTDR的分布式光纤传感系统【D].成都:电子科技 大学.2008. 图7非平衡3x3解调‘D—OTDR分布式传感系统 【6】张博.基于‘P—OTDR的高灵敏光纤振动传感器的研究【D】.成都:电 子科技大学.2015. 新型的表格查询方案来精确地解调动态应变的频率、 振幅和相位 该系统能够以R2=0.9986的线性强度响 应和1 17pm/(Hz) 的光纤长度变化灵敏度重建振动 【7】TAYL0RHF,LEECE.Apparatusandmethodforfiberopticintrusion sensing:US,5194847[P].1993-03-16. 【8】梁可桢,潘政清,周俊,等.一种基于相位敏感光时域反射计的多参 量振动传感器[J】_中国激光,2012,39(8):119—123. 【9】HUGOFMARTINS,SONIAMARTIN·10PEz,PEDROCORREDER- A.et a1.High visibility phase-sensitive optical time domain reflectometer 同时.在高于56dB的高信噪比下实现了从50~ 2075Hz的宽频率频带响应 该系统为动态应变测量提 供了一个多功能的新选择.扩展了分布式光纤传感技 术的潜在应用领域 or dfistributed sensing of ultrasonic waves【J】.Proe.SPIE,2013,(8794): 87943F—l一87943F-4. [10]饶云江.长距离分布式光纤传感技术研究进展【J】.物理学报,2017, 3结束语 基于‘D—OTDR的分布式光纤传感技术已经取得 66(7)1 139一l57. [11】MARTINS H F,MARTfNL0PEZ S,CORREDERA P,ct a1.Phase— sensitive Optical Time Domain Refieetometr Assiested by First-order Ra- man Ampliifcation for Distributed Vibration Sensing Over>100km[J].Jour- nal ofLightwave Technology,2014,32(8):1510-15l8. [12】TU G,Yu B,ZHEN S,et a1.Enhancement of Signal Identiifcation and Extraction in a -OTDR Vibration Sensor[J】.IEEE Photonics Journal, 2017,9(1):1-10. 了巨大的进步.由于在长距离传感方面的优势.在周 界安防等大型工程的安全监测方面起到了举足轻重 的作用 qo—OTDR技术和其它技术相结合的方法日趋 成熟,与原有的‘p—OTDR技术相比.在灵敏度和空间 分辨率方面具有很明显的优势。但是,基于‘p—OTDR 的分布式光纤传感技术对高频振动的检测仍然受到 .在达到现存灵敏度和空间分辨率的同时.如何 [13】zHANG X,SUN z,SHAN Y,et a1.A Higll Performance Distributed ptOical Fiber Sensor Based on∞-OTDR for Dynamic Strain Measurement [J]_IEEE Photonics Journal,2017,9(3):1-12. ③.允氡信牧尜2018年第2期 

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