基于相位敏感型光時域反射技術(shù)的光纖聲傳感系統(tǒng)

方高升　孫文惠

摘 要：本文提出一種基于相位敏感型光時域反射技術(shù)的分布式光纖聲傳感系統(tǒng)。對系統(tǒng)架構(gòu)和基本原理進行了詳細的描述和分析，通過與動圈檢波器的單點振動對比實驗，表明系統(tǒng)能有效的還原寬頻信號，時域?qū)Ρ然疚呛希l域?qū)Ρ冉Y(jié)果振動信號頻域主峰一致。

關(guān)鍵詞：光纖；傳感；反射技術(shù)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.15.123

0 引言

相位敏感型光時域反射計（Φ-OTDR）于1993年被首次提出來[1]。基于Φ-OTDR的分布式光纖傳感系統(tǒng)利用窄線寬激光器產(chǎn)生高相干激光脈沖，該激光脈沖進入傳感光纖產(chǎn)生相干瑞利散射。當傳感光纖周圍有振動或者聲音等信號時，傳感光纖可以探測到上述信號，引起相干瑞利散射光的相位產(chǎn)生一定的變化。通過測量相位的變化量，即可獲得傳感光纖探測到的信號。Φ-OTDR 不僅對外界微弱信號有敏銳的感知，在原理上來講還可以實現(xiàn)多點定位。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于Φ-OTDR技術(shù)的分布式光纖傳感系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示[2]。系統(tǒng)主要由激光器、調(diào)制器、放大器、環(huán)行器、傳感光纖、干涉儀（系統(tǒng)中采用邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)）、探測器以及數(shù)據(jù)采集與處理單元等組成。激光器產(chǎn)生窄線寬激光輸出經(jīng)過調(diào)制器被調(diào)制成脈沖激光器，為了獲得高的消光比，調(diào)制器一般采用聲光調(diào)制器。脈沖激光經(jīng)過放大器后進入環(huán)行器，通過光纖光柵對放大器自發(fā)輻射噪聲的濾波后，脈沖激光進入傳感光纖。由于進入放大器的光為脈沖激光，因此系統(tǒng)中一般采用脈沖放大器（本系統(tǒng)中采用脈沖摻餌光纖放大器）。放大后的脈沖激光在沿傳感光纖傳播時，會不斷產(chǎn)生后向瑞利散射光，后向瑞利散射光再通過環(huán)形器進入到光電探測器中。經(jīng)過A/D采集和信號處理，最終顯示傳感光纖不同位置探測到的信號。

經(jīng)過放大后的光脈沖（Input pulsed light）進入傳感光纖，脈沖光沿傳感光纖傳播并不斷產(chǎn)生后向瑞利散射光（Coherent back Rayleigh scattering light）。瑞利散射光是由于折射率的不均勻?qū)е碌墓馍⑸洮F(xiàn)象，可以認為有多個微米尺度的散射中心導(dǎo)致的，不過只有部分散射光被捕獲并沿光纖反方向傳播。當外界環(huán)境變化引起光纖損耗或者折射率變化時，可以通過探測瑞利散射光強度或相位的變化來感知外界變化。Φ-OTDR采用高相干光源，不同位置瑞利散射光發(fā)生干涉，外界環(huán)境改變將會引起干涉條紋的變化，通過檢測不同位置處的干涉條紋變化可以實現(xiàn)分布式光纖傳感的目的。

2 對比試驗

將傳統(tǒng)的動圈檢波器和傳感光纖置入土中。利用自行車軸承小鋼珠在一定高度作自由落體運動砸在土層表面上，產(chǎn)生振動信號。振動信號同時被動圈檢波器和傳感光纖探測到，其中動圈檢波器輸出直接由示波器采集，傳感光纖輸出經(jīng)過DAS系統(tǒng)解調(diào)得到。振動信號的對比結(jié)果如圖2所示，其中（a）為時域?qū)Ρ冉Y(jié)果，可以看出動圈檢波器和DAS探測到的振動信號波形基本，振動周期和振動峰均能對齊；（b）為頻域?qū)Ρ冉Y(jié)果，可以看出頻域主峰一致，但動圈檢波器的高頻噪聲比DAS系統(tǒng)要低。

通過與動圈檢波器的單點振動對比實驗，表明系統(tǒng)能有效的還原寬頻信號，時域?qū)Ρ然疚呛希l域?qū)Ρ冉Y(jié)果振動信號頻域主峰一致。

3 結(jié)束語

本文證明了一種基于相位敏感型光時域反射技術(shù)的分布式光纖聲傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以探測振動系統(tǒng)，可在油氣勘探等領(lǐng)域進行廣泛應(yīng)用。

參考文獻：

[1]C.E.Lee and H.F.Taylor.Apparatus and method for fiber optic intrusion sensing[J].U.S.Patent No.5，194，847.16 March 1993.

[2]Gaosheng Fang，Tuanwei Xu，and Fang Li.Phase-Sensitive Optical Time Domain Reflectometer Based on Phase-Generated Carrier Algorithm，Journal of Lightwave Technology[J].Vol. 33，No.13，pp.2811-2816，2015.