李成++趙年順++錢楷

【摘 要】Φ-OTDR分布式入侵檢測系統(tǒng)能對沿光纖線路范圍內(nèi)的入侵目標進行遠程、準確、實時的安全監(jiān)控，本文分析了基于Φ-OTDR光纖傳感系統(tǒng)的理論、優(yōu)缺點以及國內(nèi)外應(yīng)用研究的方向，提出了在實際工程應(yīng)用中對入侵檢測系統(tǒng)各部件的具體改進措施。

【關(guān)鍵詞】Φ-OTDR；分布式傳感；入侵檢測

Overview on Analysis and Application of the Distributed Intrusion System Detection Based on Φ-OTDR

LI Cheng1，2 ZHAO Nian-shun1 QIAN Kai2

（1.School of Information Engineering， Huangshan University， Huangshan Anhui 245000， China； 2.Key Laboratory of

Opto-electronic Information Acquisition and Manipulation of Ministry of Education， Anhui University， Hefei Anhui 230039， China）

【Abstract】Φ-OTDR（Phase-Sensitive Optical Time-domain Reflectometry）distributed optic-fiber sensing system is a kind of distributed sensing system using optic-fiber can carry on real-time remote security monitoring of the target within it. The principle， advantage and disadvantage and research direction of the fiber sensing system based onΦ-OTDR are introduced.The future of the optical fiber sensing technology is prospected. Finally， Some suggestions and reform measures to various parts of the systemin practical engineering are proposed.

【Key words】Φ-OTDR； Distributed sensing； Intrusion detection

0 引言

基于Φ-OTDR 技術(shù)的入侵檢測系統(tǒng)是一種實用的安防系統(tǒng)，不僅具有靈敏度高、抗電磁干擾、抗腐蝕等特性，而且具有測量精確、隱蔽性好、數(shù)據(jù)處理相對簡單，并且可以測出光纖沿線任一點上的應(yīng)力、振動和溫度等信息，無需構(gòu)成回路等特點。分布式光纖傳感技術(shù)能夠發(fā)揮其光纖分布伸展優(yōu)勢的傳感測量方法，它是基于光時域反射（OTDR）技術(shù)發(fā)展起來的一可靠的傳感技術(shù)[1-2] 。

1 OTDR分類及基本原理

光在光纖中傳輸會發(fā)生散射，包括由光纖折射率變化引起的瑞利散射、光學(xué)聲子引起的拉曼散射和聲學(xué)聲子引起的布里淵散射三種類型[3-6]。

光時域反射計OTDR是基于測量后向瑞利散射光信號的實用化測量儀器。利用OTDR 可以方便地從單端對光纖進行非破壞性的測量，它能連續(xù)顯示整個光纖線路的損耗相對于距離的變化。OTDR測試是通過將光脈沖注入到光纖中，當光脈沖在光纖內(nèi)傳輸時，會由于光纖本身的性質(zhì)、連接器、接頭、彎曲或其它類似的事件而產(chǎn)生散射、反射，其中一部分的散射光和反射光經(jīng)過同樣的路徑延時返回到OTDR中。OTDR根據(jù)入射信號與其返回信號的時間差τ，利用下式就可計算出上述事件點與OTDR的距離：

d=cτ/（2n）

式中c 為光在真空中的速度，n 為光纖纖芯的有效折射率。

基于布里淵散射光時域反射儀（BOTDR）的分布式光纖傳感器是布里淵散射和OTDR 探測技術(shù)相結(jié)合構(gòu)成的分布式應(yīng)變傳感器，布里淵后向散射光相對于入射光脈沖會發(fā)生頻移。布里淵頻移vB 主要由入射光頻率v0、纖芯折射率n、光纖內(nèi)聲速V等決定：

vB=（2v0/c）nV

當光纖的溫度和應(yīng)變發(fā)生變化時，光纖纖芯的折射率n和聲速V 會發(fā)生相應(yīng)的變化，從而導(dǎo)致布里淵頻移的改變。通過檢測布里淵頻移的變化量就可獲知溫度和應(yīng)變的變化量。同時，通過測定該散射光的回波時間就可確定散射點的位置。

2 分布式入侵檢測系統(tǒng)的工作原理及工程實踐

2.1 入侵檢測系統(tǒng)的工作原理[4-5]

圖1 干涉?zhèn)鞲衅髟韴D

許多研究關(guān)注在Φ-OTDR噪音環(huán)境下，施加在Φ-OTDR信號上的后向散射各個部分的影響。相位型光纖傳感器關(guān)注在光纖中導(dǎo)致外部相位變化的形態(tài)和位置。

考慮一束相干光脈沖ε（t）注入一長為L的Φ-OTDR單模光纖。為簡單起見，假設(shè)在光纖一點加一外部光源相位調(diào)制，在距離注入點Z0處產(chǎn)生光學(xué)相位變化Φ，在t時刻出射的后向散射光電場E（Φ）可以表示為光纖中部分散射光的疊加[5-6]。

在光纖中光速為v，光波傳播常數(shù)為B，分別利用群速和相位延遲表示電場強度，公式如下：

其中Δz的是OTDR的系統(tǒng)的空間分辨率。因此，Φ-OTDR的可以與相干光源，作為一個分布式的傳感器，空間分辨率相當于該Φ-OTDR的空間分辨率。顯然，良好的能見度激光相干長度應(yīng)大于Φ-OTDR空間分辨率的間隔。這不是工程中Φ-OTDR的系統(tǒng)案件，因為上述這些系統(tǒng)只有一個狹窄的光譜范圍，和一個可以評估它們性能的平均超過源光譜的全譜寬的入侵干涉儀。這不可避免地導(dǎo)致降低模式的干擾的能見度。

與常規(guī)OTDR 一樣，Φ-OTDR通過測量注入脈沖與接收到的信號之間的時間延遲得到擾動的位置。當光纖線路上由于入侵而發(fā)生擾動時，由于彈光效應(yīng)，光纖相應(yīng)位置的折射率將發(fā)生變化，這將導(dǎo)致該處光相位發(fā)生變化，又通過干涉作用，相位的變化將引起后向散射光光強發(fā)生變化。通過探測器探測后向瑞利散射光，并且將Φ-OTDR不同時刻的后向瑞

利散射曲線相減來檢測這種效應(yīng)，相減的曲線上光強發(fā)生變化的時間位置同入侵導(dǎo)致相位擾動的位置（相對注入脈沖那一端的距離）相對應(yīng)。

2.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與趨勢

目前在國外的實驗研究中，已從單一檢測布里淵散射的頻移或強度，發(fā)展到散射頻移和強度的同時檢測，實現(xiàn)溫度與應(yīng)變的同時傳感。

第一類使用脈沖激光器或連續(xù)光激光器作為光源的光時域反射計系統(tǒng)已被證明可以用來檢測并定位拉伸或溫度引起的相位擾動。使用半導(dǎo)體脈沖激光器作為光源的光時域反射計系統(tǒng)被用于檢測由溫度快速變化引起的光相位變化[6]實驗的原理圖如圖2：

圖2 Φ-OTDR 系統(tǒng)原理示意圖

該檢測系統(tǒng)的空間分辨率是0.7米，這也是Φ-OTDR系統(tǒng)的分辨率。測量的積分時間等于第一相位調(diào)制器的時間延遲。輸出強度的明顯變化類似于兩束干涉儀。該實驗被證明是從第一次的部分光纖中由于相額外隨機波的疊加。他們顯然不是因為散粒噪聲或在分散的條件隨機變化，因為他們在形式上保持穩(wěn)定的幾秒鐘。這表明該相干長度是大到足以提供有形干擾為Φ-OTDR的空間分辨率[6-8]。實際上，該系統(tǒng)為法布里珀羅干涉儀系列。

另一類光纖分布式傳感防入侵系統(tǒng)[7]是基于干涉儀原理的分布式傳感系統(tǒng)。但是，干涉儀方法的定位精度會隨著傳感距離的增大而降低，數(shù)據(jù)處理工作也很復(fù)雜，且對參考光纖的屏蔽有很高的要求。

第三類是基于大功率超窄線寬單模光纖激光器的？準-OTDR分布式傳感系統(tǒng)[8]，此項實驗研究采用了單模光纖激光模塊，實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示[8]。光纖激光器產(chǎn)生的光波經(jīng)過電光調(diào)制器后產(chǎn)生光脈沖，光脈沖被EDFA放大，由帶通濾波器濾除自發(fā)輻射光后通過一個3dB的耦合器進入系統(tǒng)光纜。用光電探測器探測后向瑞利散射光，該實驗用采樣率為50MS/s的數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)。設(shè)備位于室內(nèi)，12km直徑為3mm的成纜標準單模光纖作為傳感光纖，埋設(shè)于室外地下20cm，在2km處直線展開30m作為入侵點。

圖3 Φ-OTDR實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

該研究提出了一個基于大功率超窄線寬激光器的？準-OTDR光纖分布式傳感系統(tǒng)[8]，激光器的輸出功率為50mW，線寬≦3kHz。使用一級放大降低自發(fā)輻射噪聲，該系統(tǒng)的信噪比較高，有入侵時系統(tǒng)能較好的響應(yīng)光相位調(diào)制。

3 結(jié)論

Φ-OTDR分布式光纖傳感系統(tǒng)的優(yōu)點[9-13]：（1）靈敏度度高，可以進行精確檢測。（2）并且具備提取大范圍測量場的分布信息的能力。（3）分布式光纖傳感系統(tǒng)的傳感器件具有抗電磁干擾、防水、耐高溫、抗腐蝕等特點，在特殊環(huán)境下可以正常工作。缺點：（1）由于靈敏度高，誤報率較高。（2）由于光源的功率受限，檢測信號較弱。（3）與其它類型檢測系統(tǒng)相比，空間分辨率較低。

改進方法：（1）對光纜進行封裝保護，例如應(yīng)用FRP 封裝的復(fù)合材料光纜作為傳感光纜[9]，還需對整個檢測系統(tǒng)進行軟硬件優(yōu)化，對收集的數(shù)據(jù)進行信號處理，降低環(huán)境噪聲對系統(tǒng)的影響。（2）增大光源功率，增大性噪比，改進整個系統(tǒng)的功能。目前Φ-OTDR 分布式光纖傳感系統(tǒng)整體性能已經(jīng)在國內(nèi)外研究者的推動下取得了較為顯著地優(yōu)化，我們還需要針對以上方面做進一步改進，在測量精度，距離以及識別不同頻率振動事件[2]方面進一步優(yōu)化，才能更好的應(yīng)用于實際的入侵檢測中。

【參考文獻】

[1]侯俊芳，裴麗，李卓軒，劉超.光纖傳感技術(shù)的研究進展及應(yīng)用[J].光電技術(shù)應(yīng)用，2012（01）.

[2]鄭印，段發(fā)階，涂勤昌，伯恩.？準-OTDR識別不同頻率振動事件研究[J].光電工程.2015，5（42）.

[3]R. Jugkaitis，A. M. Mamedov， V. T. Potapov， and S. V. Shatalin.Distributed interferometric fiber sensor system[J]. OPTICS LETTERS.Vol. 17， No. 22，November 15， 1992.

[4]R. Jugkaitis，A. M. Mamedov， V. T. Potapov， and S. V. Shatalin.Interferometry with Rayleigh backscatteringin a single-mode optical fiber[J]. OPTICS LETTERS.Vol. 19， No. 3，F(xiàn)ebruary 1， 1994.

[5]Sergey V. Shatalin， Vladimir N. Treschikov， and Alan J. Rogers.Interferometric optical time-domain reflectometry for distributed optical-fiber sensing[J]. APPLIED OPTICS，Vol. 37， No. 24， 20 August， 1998.

[6]Juan C. Juarez.Distributed Fiber-Optic Intrusion Sensor System[J]. JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY， VOL. 23， NO. 6， JUNE， 2005.

[7]倪玉婷，呂辰剛，葛春風(fēng)，武星.基于OTDR 的分布式光纖傳感器原理及其應(yīng)用[J].光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，2001（1）：1-4.

[8]謝孔利，饒云江，冉曾令.基于大功率超窄線寬單模光纖激光器的ф-光時域反射計光纖分布式傳感系統(tǒng)[J].光學(xué)學(xué)報，2008（03）.

[9]謝孔利.基于φ-OTDR的分布式光纖傳感系統(tǒng)[D].電子科技大學(xué)，2008.

[10]岳劍峰.分布式光纖Φ-OTDR安防系統(tǒng)實用化研究[D].電子科技大學(xué)，2009（3）.

[11]覃健文，韋煥華.光纖傳感技術(shù)在安防領(lǐng)域的應(yīng)用[J].光通信技術(shù)，2013（08）.

[12]李平，羅巧梅，肖石林.基于光纖傳感技術(shù)在邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用研究[J].信息技術(shù)，2014（05）.

[13]賈琦.光纖傳感技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J].中國包裝工業(yè)，2014（08）.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]