分布式光纖傳感技術解析

在工程上應用的分布式光纖傳感技術根據(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。

基于不同光學效應的傳感技術可以檢測不同的物理參量。基于瑞利散射的光纖傳感技術工程上主要用于檢測振動與聲音信號，基于拉曼散射的光纖傳感技術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工程上主要用于應變與溫度的雙參數(shù)測量，基于前向光干涉的光纖傳感技術工程上主要用于振動與聲音的檢測。

前向光干涉的分布式光纖傳感技術

基本干涉型結構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，其光路結構如圖1所示，均是擾動改變了相位，進而通過干涉光強變化來檢測振動。馬赫-澤德爾使用兩個耦合器，邁克爾遜、薩格奈克干涉使用一個耦合器，不同的是邁克爾遜干涉需要兩個旋轉鏡。上述結構的光纖傳感在工程上應用需鋪設兩根光纖。

圖1 基本干涉法的光路結構

如圖2是一種直線型薩格奈克方案。其特點在于僅需一根傳感光纖即可實現(xiàn)對信號的拾取，實用性強。兩束干涉光光程差相同，對光源線寬要求低，成本低，檢測靈敏度高，信號還原性能好。然而其依然存在振動定位難、無法多點定位等問題，導致在需要精確定位及多點振動監(jiān)測領域應用受限。

圖2 直線型薩格奈克系統(tǒng)結構

散射光干涉的分布式光纖傳感技術

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

分布式拉曼溫度傳感系統(tǒng)的結構如圖3所示。入射脈沖光產(chǎn)生后向拉曼散射光，其光強隨光纖溫度的變化而變化，對探測到的后向拉曼散射光進行解調(diào)，光電探測器完成光電轉化，轉化后的微弱電信號經(jīng)信號放大電路放大，由數(shù)據(jù)采集卡采集并傳輸給計算機，通過數(shù)據(jù)處理便可獲得光纖沿線的溫度。工程上應用于矸石山火險預警、電纜溫度檢測、帶式輸送機火險預警以及隧道火險預警等場景。

圖3 分布式拉曼溫度傳感系統(tǒng)結構

R-OTDR的進一步發(fā)展仍面臨很多挑戰(zhàn)，如在單模光纖的應用中信噪比不高導致的測量精度低的問題，進一步提升傳感距離、空間分辨率、測溫精度及響應速度等問題。

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

φ-OTDR在工程上主要有直接探測與相干探測兩種方案。其中，直接探測結構更為簡單，信號處理簡單，但準確還原波形較為困難。相干探測的信號靈敏度更高，擁有更高的空間分辨率和信噪比，頻帶響應范圍更寬，能準確還原信號。工程上主要應用在燃氣管線、周界安防、軌道交通、電纜舞動、地震波探測、局部放電等檢測場合。

直接探測型通過差分擾動前后的散射曲線來進行振動定位，其效果受振動頻率、差分點數(shù)和脈沖重復頻率的影響。直接探測型φ-OTDR的系統(tǒng)結構如圖4所示，其原理為通過對后向散射曲線采集與處理，檢測振動信號對光相位和強度的影響，實現(xiàn)對振動信號的定位、還原。

圖4 直接探測型φ-OTDR系統(tǒng)結構

相干探測型φ-OTDR系統(tǒng)結構如圖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功率，增強系統(tǒng)信噪比。光電探測器輸出的信號經(jīng)IQ解調(diào)可獲得正交信號，經(jīng)過進一步的處理便可解調(diào)出振動信號的幅值與相位。

圖5 相干探測型φ-OTDR系統(tǒng)結構

當前φ-OTDR分布式光纖振動傳感技術發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)主要有：信號衰落的抑制與實時振動波形還原、傳感距離與空間分辨率提升、振動方向識別與振動類型智能模式識別。

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

BOTDR是在OTDR基礎上結合光纖中的自發(fā)布里淵散射效應完成溫度/應變測量的分布式光纖傳感技術。當光纖受到拉伸或壓縮時，應力變化會導致后向布里淵散射光產(chǎn)生頻率漂移，通過解調(diào)漂移量可實現(xiàn)應變測量；光纖的溫度變化同樣會導致布里淵散射光發(fā)生頻率漂移，根據(jù)頻移量可解調(diào)出溫度信息。

BOTDR是基于布里淵效應的單端抽運光時域反射技術，具有很大的優(yōu)勢，結構簡單，只需在一端輸入激光，在工程中應用前景廣泛?；贐OTDR的分布式光纖傳感系統(tǒng)結構如圖6所示。在光路進行相干探測，在電路進行頻率掃描，最后進行數(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)結構

在工程上如何實現(xiàn)實時布里淵頻移解調(diào)、長距離高空間分辨率高精度檢測、解決溫度與應變交叉敏感等問題是BOTDR進一步應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在工程上均獲得了應用，隨著成本的進一步降低、指標參數(shù)的進一步提升、可靠性的進一步提高，同時具有長距離、抗電磁干擾、多參數(shù)測量等優(yōu)勢，分布式光纖傳感技術在工程上的應用必將越來越廣泛。