基于多模光纖的分布式應變傳感系統光路接口設計

袁明　閆繼送　江升

摘 要：在分布式光纖應變傳感系統中，采用的單模傳感光纜在實際施工時，由于鋪設環境較為復雜，往往會出現巨大的傳輸損耗影響測試結果。針對現有的BOTDR產品只支持單模傳感光纜的情況，提出了一種光路接口，它能使現有的BOTDR產品實現對多模光纖的測量。實驗結果表明，該光路接口可以幫助BOTDR實現多模光纖應變測試，實驗數據線性良好。該光路接口結構簡單，操作方便，對擴大BOTDR的應用領域和提高對復雜鋪設環境的適應能力有重大意義。

關鍵詞：分布式光纖傳感；多模BOTDR；光路接口；布里淵光時域反射計（BOTDR）

中圖分類號：TP212.1+4 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.11.007

基于布里淵光時域反射計（BOTDR）的分布式光纖傳感技術是一項新型傳感技術，它與傳統的傳感器不同，具有分布式、單端測量、保密性好、檢測距離長、抗電磁輻射、精度高和耐久性好等特點，可以全面、準確地監測山體滑坡、泥石流、橋梁、大壩、鐵軌、隧道和礦井等大型土木工程，有效地改善傳統點式傳感技術和人工檢查容易出現的漏測、誤測問題，而且該技術可以廣泛應用于對大型土木工程健康狀態的監測和故障預警工作中。目前，投入市場的BOTDR產品都以單模光纖為傳感介質，單模光纖測試距離長、傳輸損耗低。但是，在大型土木工領域的應用過程中，由于傳感光纜經常要面臨砂石、混凝土和巖石等復雜的鋪設環境，鋪設單模光纖傳感光纜后，很容易出現大量的微彎損耗，進而大幅增加傳感光纜的傳輸損耗，對測試效果有很大的影響。針對上述問題，提出了一種光路接口，它克服了現有BOTDR產品無法測試多模光纖的問題。實驗結果表明，應用此光路接口后，現有的BOTDR產品也可以對多模光纖進行測試，并且保證了應變測試精度、空間分辨率等關鍵指標。該光路接口可以有效擴大BOTDR的應用領域和

提高BOTDR對復雜鋪設環境的適應能力。

1 BOTDR基本原理

圖1 基于BOTDR的光纖傳感系統示意圖

圖1為分布式光纖傳感系統示意圖，探測光注入到光纖后，由于探測光與光纖中介質晶體結構之間的相互作用，在光纖中

產生了自發聲波場，在其作用下，光纖產生后會向布里淵散射，并且該散射光的頻率相對于入射光頻率會發生一定的偏移，所以，將其稱為布里淵頻移。布里淵頻移與光纖的溫度和應變呈線性關系，用公式表示為：

. （1）

式（1）中：fB（ε，T）為溫度T下在光纖距離Z處產生應變為ε時的布里淵頻移；fB（0，T0）為溫度T0下光纖在無應變時的初始布里淵頻移；Cs為光纖的應變系數；CT為光纖的溫度系數。

2 多模光纖BOTDR系統的光路接口原理

光在光纖中傳輸需要滿足全反射條件，只有滿足發散角小于arcsin（NA）的光線才能通過全反射傳輸，而發散角大于arcsin（NA）的光線則會被損耗和吸收。NA為光纖的數值孔徑：

NA= （2）

式（2）中：Δ為相對折射率差。一般多模光纖NA多為0.3，纖芯半徑一般為62.5 μm/50 μm，單模光纖NA單為0.1，纖芯半徑一般為10 μm。由此可見，如果多模到單模光纖之間沒有耦合器件，多模光纖出來的光只有極小的一部分才會耦合進入單模光纖，采用多模光纖到單模光纖直接對接，其耦合效率通過模擬仿真只有0.1%.

由圖1可知，BOTDR系統與被測光纖在測試過程中，存在BOTDR系統→被測光纖和被測光纖→BOTDR系統的雙向耦合。目前的BOTDR產品光路接口內都為單模接口，如果將被測光纖直接替換為多模光纖，那么，BOTDR系統與被測光纖的雙向耦合系統將分別變為單模→多模直接耦合和多模→單模直接耦合。由于多模→單模的直接耦合系統耦合效率極低，將被測光纖直接替換為單模光纖，會導致BOTDR系統接收的后向布里淵散射光強度劇烈下降，進而導致無法測量。

本文設計的光路接口主要是由自聚焦透鏡和非球面雙凸透鏡組成，其結構如圖2所示。光從多模光纖中入射到自聚焦透鏡中，由自聚焦透鏡經雙凸透鏡入射到單模光纖中，通過ZEMAX模擬仿真可知，多模光纖到單模光纖的耦合效率能達到45.145%，耦合效率計算結果如圖3所示。

圖2 光路接口結構示意圖

圖3 光路接口耦合效率示意圖

3 實驗結果與分析

本文使用中國電子科技集團公司第四十一研究所研制的AV6419光纖應變分布測試儀進行實驗。AV6419光纖應變分布測試儀的應變測試精度最高達10 με，空間分辨率為1 m，最大測試量程達80 km，是目前國際上最先進的BOTDR產品。

圖4 多模光纖測試實驗結果

圖5 多模光纖應變與拉伸距離關系曲線

結合本文研制的光路接口后，AV6419光纖應變分布測試儀成功地完成了對多模光纖的應變測試。在此次實驗中，利用光纖拉伸裝置拉伸了1.203 km處的光纖，拉伸距離從4 000～6 000 μm，步進400 μm，實驗結果如圖4所示，應變與拉伸距離的線性關系曲線如圖5所示，其線性度可達99.81%. 由此可見，使用本文提出的光路接口后，AV6419光纖應變分布測試儀測試可以準確地得到多模光纖的應變數據。

4 結論

本文提出了一種可以令目前BOTDR產品測試實現多模光纖的光路接口，并設計了光纖拉伸實驗驗證多模光纖應變測試的可行性。測試結果線性良好，線性度達到99.81%. 實驗結果表明，本文設計的光路接口能夠令現有的單模BOTDR實現多模光纖應變測試，對克服單模傳感光纜缺陷，擴大BOTDR產品的應用領域，提升BOTDR對復雜鋪設環境的適應能力有重要的意義。

參考文獻

[1]黃健，章丹峰.國內BOTDR分布式光線監測技術試驗研究與工程應用概述[J].建筑監督檢測與造價，2013，6（4）：6-10.

[2]張丹，施斌，吳智深，等.BOTDR分布式光纖傳感器及其在結構健康監測中的應用[J].土木工程學報，2003，36（11）：83-87.

[3]邱海濤，李川，劉建平.基于BOTDR的隧道應變監測與數值模擬[J].傳感器與微系統，2012，30（12）：78-81.

〔編輯：白潔〕