金 燊，宋 偉，楊 純，楊同友，李書華

(1.國網冀北電力有限公司信息通信分公司，北京 100054； 2.武漢康普常青軟件技術股份有限公司，武漢 430027)

0 引 言

基于相位敏感光時域反射儀(Phase Sensitive-Optical Time Domain Reflectometer，φ-OTDR)的分布式光纖傳感技術具有監(jiān)測距離長、靈敏度高、抗電磁干擾和本質安全等諸多優(yōu)點。近年來，該技術更是在安防、高壓輸電線纜和油氣管道監(jiān)測等領域得到了大力推廣和應用[1-4]。2003年，Choi等人[5]利用3 kHz線寬激光器搭建了φ-OTDR系統(tǒng)；2009年，Rao等人[6]首次將分布式拉曼放大引入到φ-OTDR，使得傳感距離達到62 km；隨后，Wang等人[7]在此基礎上進一步進行了優(yōu)化，使得傳感距離增加到了74 km；2014年，Peng等人[8]使用外差檢測結合前向拉曼放大，使得系統(tǒng)傳感距離達到103 km，信噪比可達7.89 dB。由于光纖中存在傳輸損耗，長距離傳感系統(tǒng)需要較大的動態(tài)范圍，技術和器件成本都隨之增加。若不能解決動態(tài)范圍問題，則難以達到超長距離傳感要求。

本文提出了一種光電信號分段探測和采集的φ-OTDR傳感系統(tǒng)，結合前向拉曼放大，實現(xiàn)了傳感距離達120 km以上。該系統(tǒng)在信號探測部分使用兩通道光電探測器和電信號放大；在數(shù)據(jù)采集部分使用兩通道采集卡，分別采集兩路探測信號然后拼接完成整段光纖傳感。針對不同位置和環(huán)境的光信號，設置不同信號探測及采集參數(shù)，以解決系統(tǒng)動態(tài)范圍不足和信噪比差的問題。

1 原理與系統(tǒng)

1.1 φ-OTDR

分布式光纖φ-OTDR傳感器是利用光纖中的瑞利散射信號來實現(xiàn)的。脈沖光信號進入光纖后與之作用，產生瑞利散射信號返回到光電探測器(Photodetector,PD)進而被采集，如圖1所示。光纖中瑞利散射信號的相位變化與光纖的折射率和光纖長度變化有關。而外界的振動和應力等都能改變光纖折射率和光纖長度，只要監(jiān)測光纖中瑞利散射信號相位變化，就可以得到外界振動頻率和幅度[9]。同時可以通過拉曼放大技術和外差探測方式延長信號傳輸距離，優(yōu)化系統(tǒng)測量性能和信噪比。

圖1 分布式光纖φ-OTDR傳感結構

1.2 拉曼放大技術

當頻率為fs的弱信號光與頻率為fp的強泵浦光在光纖中(同向或反向)傳輸時，若二者的頻率差在光纖拉曼增益譜內，則強泵浦光的功率會轉移給弱信號光實現(xiàn)信號光的放大，該過程稱為受激拉曼作用[10]，而光纖拉曼放大器(Fiber Raman Amplifier，F(xiàn)RA)技術正是根據(jù)該原理實現(xiàn)光信號放大的[11-12]。

FRA從放大類型上可分為集中式和分布式放大。集中式FRA是獨立的器件，增益光纖與傳輸光纖分開，且采用的光纖較短，因此需要的泵浦功率較高，但其增益系數(shù)可達40 dB。而分布式FRA集傳輸與增益為一體，利用傳輸光纖作為增益介質，采用相對較低的泵浦功率降低了噪聲系數(shù)和四波混頻等非線性效應的產生，為實現(xiàn)更長距離的無中繼放大提供了解決方案。

1.3 外差檢測

光纖中的瑞利背向散射信號光場為

本振光場為

式中：Eb(t)和El(t)分別為信號光場和本振光場的振幅；ωs和ωl分別為信號光和本振光頻率；j為虛數(shù)；t為時間；φs(t)和φl(t)分別為信號光和本振光的相位。信號光和本振光相干后進入PD，其中頻分量可表示為[8]

式中：R=eη/hv為PD響應度，hv為光子能量，e為電子電荷，η為量子效率；θ(t)為信號光和本振光的偏振夾角；Δf=ωs-ωl為信號光與本振光的頻差；Δφ(t)=φs(t)-φl(t)為信號光和本振光的相位差。通過對該中頻信號進行帶通濾波可濾除大部分的噪聲功率，從而提高探測靈敏度。

外差檢測輸出有效信號功率為

式中,PS和PL分別為信號和本振光功率,且假定其負載電阻均為RL。

而直接檢測輸出有效信號功率為

PC與P0之比G=PC/P0=2PL/PS。在φ-OTDR系統(tǒng)中，通常本振光強度比散射信號強度大很多(即PL?PS)，因而本振光能大幅放大探測到的光電流，系統(tǒng)的信噪比和靈敏度得到了大幅度提升[13]。

2 傳感系統(tǒng)

本文討論的超長距離傳感系統(tǒng)在φ-OTDR的基礎上，結合前向拉曼放大、外差檢測和分段探測等技術方式，實現(xiàn)了單端124 km以上的傳感距離。具體結構如圖2所示。激光器輸出的連續(xù)光經過光纖耦合器(Coupler,CP)CP1被分成兩路，其中一路作為本振光進入CP2，另一路作為信號光由聲光調制器調制為脈沖信號，經摻鉺光纖放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA)放大后進入光纖環(huán)行器，再通過FRA放大后進入傳感光纖。傳感光纖中的瑞利背向散射光返回光纖環(huán)行器并進入CP3，其輸出信號分別與從CP2出來的本振光相干，再進入PD1和PD2，最后進入兩路高速DAQ。根據(jù)線路和信號質量分別設置不同探測參數(shù)和采集參數(shù)，然后通過DAQ和分析處理，完成整條線路的分段檢測。

圖2 120 km相位OTDR傳感結構圖

3 實驗與討論

3.1 基于拉曼放大的直接探測系統(tǒng)

根據(jù)直接探測的φ-OTDR結構搭建系統(tǒng)，對比前向拉曼放大方式的測試效果。選擇測試光纖長度為80 km，在光纖末端接入一段光纖(約40 m，其中20 m左右光纖緊密纏繞在壓電陶瓷管(Piezoelectric Ceramic，PZT)表面，同時PZT加載頻率為55 Hz、幅度為0.5 V的正弦信號。)。

系統(tǒng)采用1 550 nm LD，脈沖調制頻率為750 Hz，脈沖寬度為300 ns；為使系統(tǒng)達到最佳狀態(tài)，設置EDFA泵浦電流為100 mA以調整輸入脈沖強度，拉曼放大增益為22 dB。相比無拉曼放大系統(tǒng)，其信號質量有顯著提升，系統(tǒng)測量距離達80 km以上，末端信噪比約為8.5 dB，如圖3(a)和(b)所示。增加測量光纖到120 km，信號在85 km之后逐漸衰減到無法探測，在末端加載振動信號，系統(tǒng)不能探測到任何擾動信號。設置EDFA泵浦電流到110 mA和拉曼增益到25 dB，尾端信號質量稍有提升，如圖3(c)所示，60 ～ 80 km區(qū)間信號強度有一定增加，但中間15 ～ 30 km區(qū)段信號已經飽和，此時該區(qū)段信號無法有效探測外界擾動，如圖3(d)所示。即在直接探測情況下，由于光纖損耗作用，即使增加FRA增益，系統(tǒng)的測量性能的改善也十分有限，測量距離只能達到85 km左右，無法實現(xiàn)100 km以上的測量距離。通過調整輸入脈沖強度也不能明顯提高系統(tǒng)測量距離，同時會導致信號強度超過系統(tǒng)動態(tài)范圍，影響測量性能。

圖3 直接探測系統(tǒng)測量效果

3.2 基于拉曼放大的外差探測系統(tǒng)

基于上述實驗和測試分析可知，在光纖損耗的作用下，系統(tǒng)末端信號會變得越來越微弱，直接探測系統(tǒng)對微弱信號的探測能力十分有限。而外差探測方式能有效探測微弱信號。如圖4(a)和(b)所示，使用外差探測方式后，在相同參數(shù)設置下(即EDFA泵浦電流為100 mA，拉曼增益為22 dB)系統(tǒng)的測量性能明顯提升，其測量距離可達124 km以上，在末端加載振動信號，系統(tǒng)能準確定位并探測振動頻率大小，且信噪比達到8.41 dB。為得到更好的測量性能，增加輸入脈沖強度(EDFA泵浦電流為110 mA)和拉曼增益(25 dB)，此時系統(tǒng)在20～60 km區(qū)段的信號已趨于飽和。在末端加載振動并測試分析，系統(tǒng)能準確探測振動信號和位置，但其信噪比為8.15 dB，略有下降。即單純增加信號強度無法有效提升系統(tǒng)信號質量，同時受限于系統(tǒng)的動態(tài)范圍，在信號中間部分會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，使得中間部分不能進行有效的測量。

圖4 外差探測系統(tǒng)測試效果

3.3 分段探測與直接探測比較

為解決系統(tǒng)動態(tài)范圍問題，采用分段探測方式進行探測，即將整條測量線路均分為兩段，根據(jù)線路情況分別設置不同信號處理參數(shù)和采集參數(shù)，使得在滿足系統(tǒng)動態(tài)范圍的同時盡量提升系統(tǒng)信噪比。在EDFA泵浦電流為110 mA和拉曼增益為25 dB時，測量結果如圖5所示。分段探測方式中，整條線路的信號幅度穩(wěn)定，都控制在300 mV以內，前段信號噪聲較單段探測的稍小。在光纖末端加載相同的振動信號，得到末端信號的信噪比也較好，達到10.5 dB以上；單段探測方式中，整體信號幅度變化較大，前端信號較強而尾端較弱。為保證前端信號不出現(xiàn)飽和情況，必須降低系統(tǒng)的輸入脈沖強度和拉曼增益大小，使得尾端信號相對較弱。在末端加載振動信號時，其信號幅度明顯較分段探測時差，且不穩(wěn)定，其信噪比約為8.4 dB，較分段探測小2.1 dB，如圖4(a)和(b)所示。若增加輸入脈沖強度和拉曼放大增益，其尾端信號明顯增強，但前端立刻出現(xiàn)信號飽和情況，即信號超過系統(tǒng)的動態(tài)范圍，前端信號噪聲明顯增強，如圖4(c)和(d)所示。由此可知，使用相同的光電器件，相比單段探測方式，分段探測技術可明顯改善系統(tǒng)的信噪比和測量長度。

圖5 分段探測方式測試效果

3.4 EDFA脈沖放大對脈沖波形及測量效果的影響分析

EDFA是典型的摻稀土元素光放大器，因其具有增益大、結構簡單、泵浦效率高、無偏振性和工作在光纖衰減最小窗口等諸多優(yōu)點，在光通信和光傳感等領域得到了廣泛應用[14]。EDFA在工作過程中，若信號光是一系列脈沖，則前面的脈沖會對后面的產生影響，單個脈沖的前沿對后沿也會產生影響[15]。本文設計的傳感系統(tǒng)中，EDFA對單個脈沖進行放大，放大后的脈沖前沿增益較后沿大，圖6所示為調制頻率為750 Hz的脈沖。其中，圖6(a)所示為放大前的脈沖，圖6(b)為放大后的脈沖，即經EDFA放大后，脈沖頂端有輕微變形，整體形狀保持不變，其脈沖寬度保持為315 ns。

圖6 EDFA放大前后的脈沖形狀

基于前述部分的分析和實驗測試，加入脈沖EDFA放大模塊后，系統(tǒng)能準確測試外界擾動頻率和位置，即該情況下，EDFA脈沖放大對測量效果并無明顯影響。

3.5 現(xiàn)場試驗測試

模擬實驗選擇蘭鄭長干線進行分布式光纖石油管道入侵探測測試。入侵測試位置點為54 km附近(咸陽市王村鎮(zhèn)張留村)。通過在管道附近采取人工挖掘的方式進行擾動，最后定位到54.48 km處有挖掘擾動信號。圖7(b)所示為不同挖掘深度及敲擊方式下的擾動頻率。同時探測并定位到在36.171和52.008 km等位置有擾動信息。通過地圖查看確認該位置處有鐵路或高速公路，為車輛通過的擾動信號。

圖7 光纖沿線不同事件的入侵監(jiān)測信號及頻率

4 結束語

本文以φ-OTDR原理為基礎，綜合EDFA脈沖放大、分布式拉曼放大、外差檢測、分段探測和分段采集等技術，設計并實現(xiàn)了一種可以單端測量的超長距離分布式光纖傳感系統(tǒng)。經實驗驗證和分析可知，該系統(tǒng)可達到測量距離124 km以上、定位精度±20 m、頻率測量精度0.5 Hz和頻率測量范圍0～300 Hz。該系統(tǒng)可廣泛應用于長距離油氣管道入侵、外破和滲漏監(jiān)測、輸電線路覆冰和電纜舞動等監(jiān)測，亦可應用于其他領域振動相關監(jiān)測。