120 km長(zhǎng)距離分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)

金 燊，宋 偉，楊 純，楊同友，李書華

(1.國(guó)網(wǎng)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(shù)股份有限公司，武漢 430027)

0 引 言

基于相位敏感光時(shí)域反射儀(Phase Sensitive-Optical Time Domain Reflectometer，φ-OTDR)的分布式光纖傳感技術(shù)具有監(jiān)測(cè)距離長(zhǎng)、靈敏度高、抗電磁干擾和本質(zhì)安全等諸多優(yōu)點(diǎn)。近年來，該技術(shù)更是在安防、高壓輸電線纜和油氣管道監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域得到了大力推廣和應(yīng)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(dá)到62 km；隨后，Wang等人[7]在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)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(cè)結(jié)合前向拉曼放大，使得系統(tǒng)傳感距離達(dá)到103 km，信噪比可達(dá)7.89 dB。由于光纖中存在傳輸損耗，長(zhǎng)距離傳感系統(tǒng)需要較大的動(dòng)態(tài)范圍，技術(shù)和器件成本都隨之增加。若不能解決動(dòng)態(tài)范圍問題，則難以達(dá)到超長(zhǎng)距離傳感要求。

本文提出了一種光電信號(hào)分段探測(cè)和采集的φ-OTDR傳感系統(tǒng)，結(jié)合前向拉曼放大，實(shí)現(xiàn)了傳感距離達(dá)120 km以上。該系統(tǒng)在信號(hào)探測(cè)部分使用兩通道光電探測(cè)器和電信號(hào)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(cè)信號(hào)然后拼接完成整段光纖傳感。針對(duì)不同位置和環(huán)境的光信號(hào)，設(shè)置不同信號(hào)探測(cè)及采集參數(shù)，以解決系統(tǒng)動(dòng)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(hào)來實(shí)現(xiàn)的。脈沖光信號(hào)進(jìn)入光纖后與之作用，產(chǎn)生瑞利散射信號(hào)返回到光電探測(cè)器(Photodetector,PD)進(jìn)而被采集，如圖1所示。光纖中瑞利散射信號(hào)的相位變化與光纖的折射率和光纖長(zhǎng)度變化有關(guān)。而外界的振動(dòng)和應(yīng)力等都能改變光纖折射率和光纖長(zhǎng)度，只要監(jiān)測(cè)光纖中瑞利散射信號(hào)相位變化，就可以得到外界振動(dòng)頻率和幅度[9]。同時(shí)可以通過拉曼放大技術(shù)和外差探測(cè)方式延長(zhǎng)信號(hào)傳輸距離，優(yōu)化系統(tǒng)測(cè)量性能和信噪比。

圖1 分布式光纖φ-OTDR傳感結(jié)構(gòu)

1.2 拉曼放大技術(shù)

當(dāng)頻率為fs的弱信號(hào)光與頻率為fp的強(qiáng)泵浦光在光纖中(同向或反向)傳輸時(shí)，若二者的頻率差在光纖拉曼增益譜內(nèi)，則強(qiáng)泵浦光的功率會(huì)轉(zhuǎn)移給弱信號(hào)光實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(shù)正是根據(jù)該原理實(shí)現(xiàn)光信號(hào)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(dú)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(dá)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(zhì)，采用相對(duì)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(yīng)的產(chǎn)生，為實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)距離的無中繼放大提供了解決方案。

1.3 外差檢測(cè)

光纖中的瑞利背向散射信號(hào)光場(chǎng)為

本振光場(chǎng)為

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

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

外差檢測(cè)輸出有效信號(hào)功率為

式中,PS和PL分別為信號(hào)和本振光功率,且假定其負(fù)載電阻均為RL。

而直接檢測(cè)輸出有效信號(hào)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(qiáng)度比散射信號(hào)強(qiáng)度大很多(即PL?PS)，因而本振光能大幅放大探測(cè)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(zhǎng)距離傳感系統(tǒng)在φ-OTDR的基礎(chǔ)上，結(jié)合前向拉曼放大、外差檢測(cè)和分段探測(cè)等技術(shù)方式，實(shí)現(xiàn)了單端124 km以上的傳感距離。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。激光器輸出的連續(xù)光經(jīng)過光纖耦合器(Coupler,CP)CP1被分成兩路，其中一路作為本振光進(jìn)入CP2，另一路作為信號(hào)光由聲光調(diào)制器調(diào)制為脈沖信號(hào)，經(jīng)摻鉺光纖放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA)放大后進(jìn)入光纖環(huán)行器，再通過FRA放大后進(jìn)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(jìn)入CP3，其輸出信號(hào)分別與從CP2出來的本振光相干，再進(jìn)入PD1和PD2，最后進(jìn)入兩路高速DAQ。根據(jù)線路和信號(hào)質(zhì)量分別設(shè)置不同探測(cè)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(cè)。

圖2 120 km相位OTDR傳感結(jié)構(gòu)圖

3 實(shí)驗(yàn)與討論

3.1 基于拉曼放大的直接探測(cè)系統(tǒng)

根據(jù)直接探測(cè)的φ-OTDR結(jié)構(gòu)搭建系統(tǒng)，對(duì)比前向拉曼放大方式的測(cè)試效果。選擇測(cè)試光纖長(zhǎng)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(shí)PZT加載頻率為55 Hz、幅度為0.5 V的正弦信號(hào)。)。

系統(tǒng)采用1 550 nm LD，脈沖調(diào)制頻率為750 Hz，脈沖寬度為300 ns；為使系統(tǒng)達(dá)到最佳狀態(tài)，設(shè)置EDFA泵浦電流為100 mA以調(diào)整輸入脈沖強(qiáng)度，拉曼放大增益為22 dB。相比無拉曼放大系統(tǒng)，其信號(hào)質(zhì)量有顯著提升，系統(tǒng)測(cè)量距離達(dá)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(cè)量光纖到120 km，信號(hào)在85 km之后逐漸衰減到無法探測(cè)，在末端加載振動(dòng)信號(hào)，系統(tǒng)不能探測(cè)到任何擾動(dòng)信號(hào)。設(shè)置EDFA泵浦電流到110 mA和拉曼增益到25 dB，尾端信號(hào)質(zhì)量稍有提升，如圖3(c)所示，60 ～ 80 km區(qū)間信號(hào)強(qiáng)度有一定增加，但中間15 ～ 30 km區(qū)段信號(hào)已經(jīng)飽和，此時(shí)該區(qū)段信號(hào)無法有效探測(cè)外界擾動(dòng)，如圖3(d)所示。即在直接探測(cè)情況下，由于光纖損耗作用，即使增加FRA增益，系統(tǒng)的測(cè)量性能的改善也十分有限，測(cè)量距離只能達(dá)到85 km左右，無法實(shí)現(xiàn)100 km以上的測(cè)量距離。通過調(diào)整輸入脈沖強(qiáng)度也不能明顯提高系統(tǒng)測(cè)量距離，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度超過系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍，影響測(cè)量性能。

圖3 直接探測(cè)系統(tǒng)測(cè)量效果

3.2 基于拉曼放大的外差探測(cè)系統(tǒng)

基于上述實(shí)驗(yàn)和測(cè)試分析可知，在光纖損耗的作用下，系統(tǒng)末端信號(hào)會(huì)變得越來越微弱，直接探測(cè)系統(tǒng)對(duì)微弱信號(hào)的探測(cè)能力十分有限。而外差探測(cè)方式能有效探測(cè)微弱信號(hào)。如圖4(a)和(b)所示，使用外差探測(cè)方式后，在相同參數(shù)設(shè)置下(即EDFA泵浦電流為100 mA，拉曼增益為22 dB)系統(tǒng)的測(cè)量性能明顯提升，其測(cè)量距離可達(dá)124 km以上，在末端加載振動(dòng)信號(hào)，系統(tǒng)能準(zhǔn)確定位并探測(cè)振動(dòng)頻率大小，且信噪比達(dá)到8.41 dB。為得到更好的測(cè)量性能，增加輸入脈沖強(qiáng)度(EDFA泵浦電流為110 mA)和拉曼增益(25 dB)，此時(shí)系統(tǒng)在20～60 km區(qū)段的信號(hào)已趨于飽和。在末端加載振動(dòng)并測(cè)試分析，系統(tǒng)能準(zhǔn)確探測(cè)振動(dòng)信號(hào)和位置，但其信噪比為8.15 dB，略有下降。即單純?cè)黾有盘?hào)強(qiáng)度無法有效提升系統(tǒng)信號(hào)質(zhì)量，同時(shí)受限于系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，在信號(hào)中間部分會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，使得中間部分不能進(jìn)行有效的測(cè)量。

圖4 外差探測(cè)系統(tǒng)測(cè)試效果

3.3 分段探測(cè)與直接探測(cè)比較

為解決系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍問題，采用分段探測(cè)方式進(jìn)行探測(cè)，即將整條測(cè)量線路均分為兩段，根據(jù)線路情況分別設(shè)置不同信號(hào)處理參數(shù)和采集參數(shù)，使得在滿足系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍的同時(shí)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(shí)，測(cè)量結(jié)果如圖5所示。分段探測(cè)方式中，整條線路的信號(hào)幅度穩(wěn)定，都控制在300 mV以內(nèi)，前段信號(hào)噪聲較單段探測(cè)的稍小。在光纖末端加載相同的振動(dòng)信號(hào)，得到末端信號(hào)的信噪比也較好，達(dá)到10.5 dB以上；單段探測(cè)方式中，整體信號(hào)幅度變化較大，前端信號(hào)較強(qiáng)而尾端較弱。為保證前端信號(hào)不出現(xiàn)飽和情況，必須降低系統(tǒng)的輸入脈沖強(qiáng)度和拉曼增益大小，使得尾端信號(hào)相對(duì)較弱。在末端加載振動(dòng)信號(hào)時(shí)，其信號(hào)幅度明顯較分段探測(cè)時(shí)差，且不穩(wěn)定，其信噪比約為8.4 dB，較分段探測(cè)小2.1 dB，如圖4(a)和(b)所示。若增加輸入脈沖強(qiáng)度和拉曼放大增益，其尾端信號(hào)明顯增強(qiáng)，但前端立刻出現(xiàn)信號(hào)飽和情況，即信號(hào)超過系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，前端信號(hào)噪聲明顯增強(qiáng)，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(cè)方式，分段探測(cè)技術(shù)可明顯改善系統(tǒng)的信噪比和測(cè)量長(zhǎng)度。

圖5 分段探測(cè)方式測(cè)試效果

3.4 EDFA脈沖放大對(duì)脈沖波形及測(cè)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(diǎn)，在光通信和光傳感等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[14]。EDFA在工作過程中，若信號(hào)光是一系列脈沖，則前面的脈沖會(huì)對(duì)后面的產(chǎn)生影響，單個(gè)脈沖的前沿對(duì)后沿也會(huì)產(chǎn)生影響[15]。本文設(shè)計(jì)的傳感系統(tǒng)中，EDFA對(duì)單個(gè)脈沖進(jìn)行放大，放大后的脈沖前沿增益較后沿大，圖6所示為調(diào)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(jīng)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(shí)驗(yàn)測(cè)試，加入脈沖EDFA放大模塊后，系統(tǒng)能準(zhǔn)確測(cè)試外界擾動(dòng)頻率和位置，即該情況下，EDFA脈沖放大對(duì)測(cè)量效果并無明顯影響。

3.5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試

模擬實(shí)驗(yàn)選擇蘭鄭長(zhǎng)干線進(jìn)行分布式光纖石油管道入侵探測(cè)測(cè)試。入侵測(cè)試位置點(diǎn)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(jìn)行擾動(dòng)，最后定位到54.48 km處有挖掘擾動(dòng)信號(hào)。圖7(b)所示為不同挖掘深度及敲擊方式下的擾動(dòng)頻率。同時(shí)探測(cè)并定位到在36.171和52.008 km等位置有擾動(dòng)信息。通過地圖查看確認(rèn)該位置處有鐵路或高速公路，為車輛通過的擾動(dòng)信號(hào)。

圖7 光纖沿線不同事件的入侵監(jiān)測(cè)信號(hào)及頻率

4 結(jié)束語

本文以φ-OTDR原理為基礎(chǔ)，綜合EDFA脈沖放大、分布式拉曼放大、外差檢測(cè)、分段探測(cè)和分段采集等技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種可以單端測(cè)量的超長(zhǎng)距離分布式光纖傳感系統(tǒng)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和分析可知，該系統(tǒng)可達(dá)到測(cè)量距離124 km以上、定位精度±20 m、頻率測(cè)量精度0.5 Hz和頻率測(cè)量范圍0～300 Hz。該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)距離油氣管道入侵、外破和滲漏監(jiān)測(cè)、輸電線路覆冰和電纜舞動(dòng)等監(jiān)測(cè)，亦可應(yīng)用于其他領(lǐng)域振動(dòng)相關(guān)監(jiān)測(cè)。