智能传感与检测技术团队(光电检测与智能传感)

 

文 / 靳宝全 太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室

在工程上应用的分布式光纤传感技术根据传感光类型不同可分为散射光传感和前向光传感两类。其中，散射光又分为瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射三类。

基于不同光学效应的传感技术可以检测不同的物理参量。基于瑞利散射的光纤传感技术工程上主要用于检测振动与声音信号，基于拉曼散射的光纤传感技术工程上主要用于温度的测量，而基于布里渊散射的光纤传感技术工程上主要用于应变与温度的双参数测量，基于前向光干涉的光纤传感技术工程上主要用于振动与声音的检测。

前向光干涉的分布式光纤传感技术

基本干涉型结构的分布式光纤传感在工程上主要使用主马赫-泽德尔、迈克尔逊、萨格奈克干涉三种类型，其光路结构如图1所示，均是扰动改变了相位，进而通过干涉光强变化来检测振动。马赫-泽德尔使用两个耦合器，迈克尔逊、萨格奈克干涉使用一个耦合器，不同的是迈克尔逊干涉需要两个旋转镜。上述结构的光纤传感在工程上应用需铺设两根光纤。

图1 基本干涉法的光路结构

如图2是一种直线型萨格奈克方案。其特点在于仅需一根传感光纤即可实现对信号的拾取，实用性强。两束干涉光光程差相同，对光源线宽要求低，成本低，检测灵敏度高，信号还原性能好。然而其依然存在振动定位难、无法多点定位等问题，导致在需要精确定位及多点振动监测领域应用受限。

图2 直线型萨格奈克系统结构

散射光干涉的分布式光纤传感技术

1.R-OTDR（Raman Optical Time-Domain Reflectometry ）拉曼光时域反射分布式光纤传感技术

分布式拉曼温度传感系统的结构如图3所示。入射脉冲光产生后向拉曼散射光，其光强随光纤温度的变化而变化，对探测到的后向拉曼散射光进行解调，光电探测器完成光电转化，转化后的微弱电信号经信号放大电路放大，由数据采集卡采集并传输给计算机，通过数据处理便可获得光纤沿线的温度。工程上应用于矸石山火险预警、电缆温度检测、带式输送机火险预警以及隧道火险预警等场景。

图3 分布式拉曼温度传感系统结构

R-OTDR的进一步发展仍面临很多挑战，如在单模光纤的应用中信噪比不高导致的测量精度低的问题，进一步提升传感距离、空间分辨率、测温精度及响应速度等问题。

2.φ-OTDR（Phase Sensitive Optical Time-Domain Reflectometry）相位敏感光时域反射分布式光纤传感技术

φ-OTDR在工程上主要有直接探测与相干探测两种方案。其中，直接探测结构更为简单，信号处理简单，但准确还原波形较为困难。相干探测的信号灵敏度更高，拥有更高的空间分辨率和信噪比，频带响应范围更宽，能准确还原信号。工程上主要应用在燃气管线、周界安防、轨道交通、电缆舞动、地震波探测、局部放电等检测场合。

直接探测型通过差分扰动前后的散射曲线来进行振动定位，其效果受振动频率、差分点数和脉冲重复频率的影响。直接探测型φ-OTDR的系统结构如图4所示，其原理为通过对后向散射曲线采集与处理，检测振动信号对光相位和强度的影响，实现对振动信号的定位、还原。

互联网小常识：弹性分组环（RPR）是基于动态分组传输技术的（DPT）,其标准是IEEE802.17。环形结构是目前城域网的主要拓扑结构。弹性分组环网络采用双环结构这一点与FDDI相同，在RPR环中，两个结点的裸光纤最大距离为100Km，将顺时针的环称为外环，逆时针的环称为内环，外环和内环都可用统计复用传输和控制分组，同时可以实现环自愈能力。

图4 直接探测型φ-OTDR系统结构

相干探测型φ-OTDR系统结构如图5所示，与直接探测型的区别在于，引入本征光提升散射光信号功率，增强系统信噪比。光电探测器输出的信号经IQ解调可获得正交信号，经过进一步的处理便可解调出振动信号的幅值与相位。

图5 相干探测型φ-OTDR系统结构

当前φ-OTDR分布式光纤振动传感技术发展面临的挑战主要有：信号衰落的抑制与实时振动波形还原、传感距离与空间分辨率提升、振动方向识别与振动类型智能模式识别。

3.B-OTDR（Brillouin Optical Time-Domain Reflectometry）布里渊光时域反射分布式光纤传感技术

BOTDR是在OTDR基础上结合光纤中的自发布里渊散射效应完成温度/应变测量的分布式光纤传感技术。当光纤受到拉伸或压缩时，应力变化会导致后向布里渊散射光产生频率漂移，通过解调漂移量可实现应变测量；光纤的温度变化同样会导致布里渊散射光发生频率漂移，根据频移量可解调出温度信息。

BOTDR是基于布里渊效应的单端抽运光时域反射技术，具有很大的优势，结构简单，只需在一端输入激光，在工程中应用前景广泛。基于BOTDR的分布式光纤传感系统结构如图6所示。在光路进行相干探测，在电路进行频率扫描，最后进行数据处理后可得到光纤沿程的布里渊频移量，即可解调出应变与温度信息。这种方法可用于建筑变形监测、地质沉降监测、桥梁变形监测、隧道变形监测等。

图6 BOTDR系统结构

在工程上如何实现实时布里渊频移解调、长距离高空间分辨率高精度检测、解决温度与应变交叉敏感等问题是BOTDR进一步应用所面临的一系列挑战。

互联网小常识：outside为外部端口，安全级别为0，inside为内部端口，安全级别为100，安全级别的取值范围为1-99，值越大越安全。

综述所述，基于前向光干涉与散射光原理的分布式光纤传感技术在工程上均获得了应用，随着成本的进一步降低、指标参数的进一步提升、可靠性的进一步提高，同时具有长距离、抗电磁干扰、多参数测量等优势，分布式光纤传感技术在工程上的应用必将越来越广泛。

作者

简介

靳宝全，太原理工大学教授，博士生导师。任新型传感器与智能控制教育部重点实验室副主任，山西省传感器产业技术创新战略联盟负责人，山西省光电传感与检测科技重点领域创新团队负责人。主要从事光纤传感、光电智能仪器等方面的研究，开发了布里渊光时域反射仪、相位敏感光时域反射仪等仪器。主持国家自然科学基金、企业技术开发等各类项目30余项，先后获省部级科学技术奖5项。

靳宝全教授同期也在光言万物直播间作了相关分享，如果想了解更多详细内容，可在本公众号菜单栏系列直播中查看视频回放。

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互联网小常识：IEEE802.3为传统局域网的协议，IEEE802.3u为快速以太网的协议标准，IEEE802.1d为透明网桥的协议标准，IEEE802.1q为VLAN的协议标准，IEEE802.5为令牌环网络的协议标准。

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