長距離分布式光纖傳感技術(shù)研究進(jìn)展?

饒云江

(電子科技大學(xué),光纖傳感與通信教育部重點實驗室,成都 611731)

1 長距離布里淵光時域分析儀(BOTDA)研究進(jìn)展

1.1 長距離BOTDA發(fā)展歷程回顧

BOTDA最初由Horiguchi和Tateda[1]提出.BOTDA信噪比高、測量距離遠(yuǎn)、精度高,已受到各國研究者的普遍重視及深入研究[2?4].

BOTDA距離延伸與精度提高是相互制約的,其原因不僅與光纖損耗導(dǎo)致的信噪比降低有關(guān),還與探測光對抽運(yùn)脈沖消耗所致的非局域效應(yīng)(nonlocaleffect)有關(guān)[5],即:抽運(yùn)光脈沖沿光纖傳播時,峰值功率與本地布里淵頻移相關(guān),導(dǎo)致光纖末端布里淵增益譜出現(xiàn)多峰結(jié)構(gòu),即前端信息串?dāng)_至后端.這一效應(yīng)隨傳感距離增加會惡化.因此,長距離BOTDA應(yīng)在提高信噪比、克服非局域效應(yīng)找到突破口.

在提高BOTDA信噪比方面,文獻(xiàn)[6—12]提出光脈沖編碼技術(shù)改進(jìn)信噪比,并取得了可喜的進(jìn)展.該方案中,首先在發(fā)射端對發(fā)送的抽運(yùn)光脈沖進(jìn)行編碼(如Simplex碼),接收端則用快速Hadamard反變換解碼.與單一的累加平均相比,在相同平均次數(shù)條件下,可取得更高的信噪比.早期研究集中于非歸零碼,為避免其中連“1”碼引起的布里淵增益譜形變,2010年1月,Soto等[8]報道了采用歸零編碼,在50 km傳感光纖上取得1 m空間分辨率、2.2°C精度的結(jié)果.總之,經(jīng)過近幾年發(fā)展,光脈沖編碼已成為一種高效的改進(jìn)信噪比途徑.

另一種改進(jìn)BOTDA光信噪比的方案是分布式拉曼放大[13?18].2010年6月,本課題組提出該方案,實驗獲得了75 km傳感距離、10 m空間分辨率、±0.6°C測量精度[13].2011年4月,電子科技大學(xué)研究小組[14]將127 bit光脈沖編碼融入到基于一階拉曼放大的BOTDA,空間分辨率達(dá)到2.5 m,同時傳感距離達(dá)到74.6 km,測量精度為±1°C.與此同時,Rodríguez-Barrios等[15]采用一階拉曼放大取得75 km傳感、測量精度為3°C的實驗成果;Martin-Lopez等[16]將此方法推廣至二階拉曼放大,并于2010年8月報道了100 km傳感距離、2 m空間分辨率的實驗結(jié)果.為抑制拉曼放大中抽運(yùn)——信號相對強(qiáng)度噪聲轉(zhuǎn)移的問題,2011年2月,Soto等[17]報道了利用低噪聲半導(dǎo)體激光器抽運(yùn)延伸傳感距離、提高空間分辨率的方法.總之,分布式放大在大于100 km BOTDA距離延伸方面具有較大潛力.

在克服BOTDA非局域效應(yīng)方面[19?21],Bao研究組[19]提出頻分復(fù)用(FDM)方法.該方案將多段具有不同布里淵頻移的傳感光纖串聯(lián)起來,掃描整段光纖布里淵增益譜.掃頻時,僅當(dāng)頻移量與對應(yīng)光纖布里淵增益譜峰值頻率相等時,抽運(yùn)才與探測光作用,以抑制非局域化.實驗獲得了1.5°C溫度精度、2 m空間分辨率的長距離傳感.另一種克服非局域化的途徑是時分復(fù)用(TDM)方法[20,21].2011年初,Dong等[20]報道了該方案.與傳統(tǒng)BOTDA不同的是,抽運(yùn)光與探測光均被調(diào)制,改變抽運(yùn)與探測光之間的時延量,可對特定光纖段進(jìn)行選取,而探測光脈寬決定了所選取光纖段長度.總體而言,FDM及TDM是兩種較為有效的抑制非局域化的方案.

2012年,電子科技大學(xué)研究團(tuán)隊在系統(tǒng)研究隨機(jī)光纖激光(random fiber laser,RFL)特性的基礎(chǔ)上,首次提出了基于隨機(jī)光纖激光的分布式拉曼放大(DRA)新概念,隨后將其成功應(yīng)用于分布式光纖傳感距離的提升,兩次刷新了無中繼BOTDA的傳感距離世界記錄(分別為142.2 km(±1.5°C;5 m),154.4 km(±1.4°C;5 m)).

表1 長距離BOTDA研究進(jìn)展(藍(lán)色字體為項目組研究成果)Table 1.The research progress of long-distance BOTDA.

2016年初,Soto等[22,23]報道了運(yùn)用數(shù)字圖像處理技術(shù)(非局域均值濾波)提升BOTDA的信噪比,在50 km傳感光纖實驗中實現(xiàn)了高達(dá)約14 dB的信噪比提升.隨后,本課題組將非局域均值濾波技術(shù)(non-local means,NLM)與分布式放大和脈沖編碼技術(shù)進(jìn)行結(jié)合,并提出了基于主成分分析的BOTDA噪聲分析技術(shù),提升了NLM方法的適應(yīng)性和降噪性能,實現(xiàn)了157.68 km(±0.65°C;8 m)無中繼BOTDA[24,25].表1列出了迄今為止長距離BOTDA的研究進(jìn)展.

1.2 基于環(huán)形腔隨機(jī)光纖激光放大的BOTDA

大部分情況下,基于超長光纖激光器(UL-FL)抽運(yùn)的DRA為線形腔結(jié)構(gòu).事實上,DRA也可通過環(huán)形腔實現(xiàn).基于環(huán)形腔UL-FL抽運(yùn)的DRA最初由Stentz及Nielsen等提出.他們在1.3μm波段實現(xiàn)了8×10 Gbit/s信號的141 km無中繼光傳輸[26].但針對其放大特性(包括開關(guān)增益、增益分布、有效噪聲指數(shù)、非線性損傷)的研究尚未見報道.本小節(jié)在闡述環(huán)形腔UL-RFL抽運(yùn)的新DRA結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,研究其基本放大特性.此外,將該方案應(yīng)用于超長距離BOTDA分布式傳感,實現(xiàn)了142.2 km無中繼傳感距離、5 m空間分辨率及±1.5°C溫度不確定度.

圖1給出了環(huán)形腔UL-RFL抽運(yùn)的二階DRA基本結(jié)構(gòu)及實驗裝置圖,圖中示出了前向抽運(yùn)[27].

圖1 基于環(huán)形UL-RFL的二階DRA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及實驗裝置Fig.1.System structure and experimental setup for forward pumping DRA using UL-RFL withring cavity.

圖2(a)給出了不同抽運(yùn)功率條件下的RFL激射光譜.由圖可知,抽運(yùn)功率較低(30.5 dBm)時,激射波長位于拉曼增益譜第一峰處(1454 nm).隨著抽運(yùn)功率升高,1454 nm峰值逐步降低,這是由于短波長能量向長波長(1462 nm)轉(zhuǎn)移的緣故.此外,實驗觀察到1464 nm激射峰有強(qiáng)烈展寬,這種展寬與大量激射模式的四波混頻(FWM)作用有關(guān).特別地,系統(tǒng)設(shè)計中省去了窄帶濾波器件(WDM的1455 nm端口帶寬約為20 nm),從而抑制了非線性譜展寬對抽運(yùn)效率的影響.這一特點與基于線形腔的UL-FL光放大有顯著區(qū)別.對于線形腔而言,FBG典型帶寬為＜0.5 nm,受光譜展寬影響,位于FBG帶寬的能量被透射,使得激射效率受到一定影響[28].

圖2 不同抽運(yùn)功率條件下的RFL激射光譜及開關(guān)增益(a)激射光譜;(b)開關(guān)增益Fig.2.RFL lasing spectrum(a)and on-offgain(b)for different input pumping power.

圖2(b)給出了不同抽運(yùn)功率條件下的開關(guān)增益,測量過程中1550 nm輸入信號功率為?5 dBm,調(diào)節(jié)1366 nm抽運(yùn)功率以達(dá)到期望增益.由圖可知,超過激射閾值(～30.9 dBm)后,開關(guān)增益隨抽運(yùn)功率的增長而增大.注意到前向與背向抽運(yùn)條件下,抽運(yùn)功率一定時,激射光平均功率值相同,因而具有相同的開關(guān)增益.另外,透明傳輸對應(yīng)于～29 dB開關(guān)增益或～34.2 dBm抽運(yùn)功率.

以BOTDA為例,探討該方案在超長距離分布式傳感中的應(yīng)用,實驗裝置如圖3所示.傳感光纖由三段組成,總長為142.2 km,每段具有略微不同的布里淵頻移(BFS).幾段光纖的布里淵頻移差遠(yuǎn)小于布里淵增益譜(BGS)寬度(～39—56 MHz),以確保SBS最大化.加熱點位于光纖末端142.152 km處,其溫度變化量為40°C.

將加熱前后經(jīng)洛倫茲擬合的峰值布里淵頻移相減,可得出整段傳感光纖溫度分布,如圖4(a)所示.計算標(biāo)準(zhǔn)差分布可知,最大測量不確定度約為 ±1.5°C(位于信噪比(SNR)最低的～110—130 km),0—94.5 km區(qū)間的增益較大,對應(yīng)的測量不確度定也較低.圖4(b)示出了約5 m熱點附近的溫度分布.實驗得出的40°C左右溫度變化與實際溫度符合較好.分析半值全寬可知,系統(tǒng)實際空間分辨率約為5 m.

該方案通過合理的系統(tǒng)設(shè)置,使得抽運(yùn)探測相對強(qiáng)度噪聲(RIN)轉(zhuǎn)移得到有效降低;另一方面,相對于常規(guī)一階DRA,受二階抽運(yùn)作用,增益峰值深入至＞40 km處,顯著拓展了系統(tǒng)末端高信噪比的范圍.

圖3 基于環(huán)形腔UL-RFL抽運(yùn)的142.2 km BOTDA實驗裝置Fig.3.Experimental arrangement of BOTDA using UL-FL based DRA with ring cavity.

圖4 實驗提取的光纖溫度分布 (a)整段傳感光纖;(b)5 m加熱點附近Fig.4.(a)Retrieved temperature distribution after Lorentzian fitting along sensing fiber;(b)zoomed view of temperature distribution around～5 m hot-spot.

1.3 基于隨機(jī)光纖激光與低噪聲LD混合放大的BOTDA

基于單一RFL抽運(yùn)的前向DRA具有較低的噪聲指數(shù),應(yīng)用該方案已實現(xiàn)122 km分布式傳感.但由于隨機(jī)激光的產(chǎn)生由瑞利散射提供分布反饋,而標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的瑞利散射系數(shù)極其微弱(～4.5×10?5km?1),導(dǎo)致此方案抽運(yùn)效率較低(需瓦級抽運(yùn)功率).在更長距離的光傳輸/傳感系統(tǒng)中,過高的抽運(yùn)功率肯定會引入非線性問題.為解決該問題,該小節(jié)介紹一種融合隨機(jī)光纖激光二階抽運(yùn)與低噪聲激光二極管(LD)一階抽運(yùn)的混合DRA方案,并介紹其增益特性.若將該方案應(yīng)用于超長距離BOTDA,傳感距離可延伸至154.4 km,并保持空間分辨率為5 m,測量精度為±1.4°C.這是目前國際上BOTDA的最長無中繼傳感距離.

融合RFL二階抽運(yùn)與低噪聲LD一階抽運(yùn)的混合DRA方案如圖5所示.將兩個輸出功率相同的1455 nm高功率低噪聲LD通過偏振合束器(PBC)組合,構(gòu)成退偏的一階抽運(yùn),避免偏振相關(guān)增益引起的增益起伏.此處一階抽運(yùn)通過WDM2注入光纖,噪聲指數(shù)及增益分布分別由OTDR及OSA測得.下面著重分析混合DRA與常規(guī)一階雙向DRA的區(qū)別[29].

圖5 融合RFL二階與LD一階抽運(yùn)的混合DRA結(jié)構(gòu)與實驗裝置Fig.5.Principle and experimental setup of proposed H-DRA formed by RFL and 1st-order pumping.

圖6 不同開關(guān)增益及抽運(yùn)方式條件下的增益分布 (a)混合抽運(yùn);(b)雙向一階抽運(yùn)Fig.6.Gain distribution under various on-offgains:(a)Hybrid pumping;(b)bi-directional 1st-order pumping.

圖6所示為不同開關(guān)增益條件下混合抽運(yùn)及一階雙向抽運(yùn)的增益分布,可以看出,隨著開關(guān)增益的增加,在二階抽運(yùn)作用下,混合抽運(yùn)峰值增益逐漸深入至光纖約40 km處.而類似開關(guān)增益條件下,常規(guī)一階雙向抽運(yùn)的峰值增益位于約20 km處.這一特點顯著提升了光纖末端SNR,并延伸傳輸/傳感距離.

圖7給出了融合隨機(jī)光纖激光與一階低噪聲LD混合抽運(yùn)的長距離BOTDA實驗裝置,布里淵抽運(yùn)光譜結(jié)構(gòu)相對于探測光兩邊帶完全對稱,由于布里淵抽運(yùn)既受到Stokes光損耗,同時受到反Stokes光增益作用,這樣布里淵抽運(yùn)峰值功率沿光纖的消耗得到有效控制,從而抑制了非局域效應(yīng).引入Simplex編碼技術(shù)提升SNR,編碼長度為255 bits,編碼增益為9.1 dB.

探測光與低噪聲LD同向傳輸可有效抑制抽運(yùn)-探測RIN轉(zhuǎn)移,圖8給出了不同抽運(yùn)條件下解碼前的布里淵軌跡.兩者采用相同平均次數(shù)(256),其中一階DRA使用高功率FRL抽運(yùn).可以看出,常規(guī)一階雙向抽運(yùn)表現(xiàn)出明顯的噪聲起伏,嚴(yán)重影響傳感精度;而采用混合抽運(yùn)結(jié)構(gòu),完全抑制了RIN轉(zhuǎn)移引起的強(qiáng)度噪聲.注意盡管1366 nm抽運(yùn)具有較大的強(qiáng)度噪聲,但由于該光束與探測光反向傳輸,在群速度走離作用下,RIN轉(zhuǎn)移帶寬得到明顯降低(～kHz量級)[30].實驗所用光纖經(jīng)過重新盤繞,在附加應(yīng)變作用下,圖中不同光纖連接處出現(xiàn)幅度變化.傳感光纖由布里淵頻移輕微不同(約10.882,10.870,10.867,10.870 GHz)的四段光纖組成,其熔接點位于～11.965,60.389及106.772 km處.這里并未使用FDM技術(shù)(布里淵頻移差值遠(yuǎn)小于布里淵增益譜35—60 MHz半值全寬),以確保最大SBS作用.

圖7 融合隨機(jī)激光與一階低噪聲LD混合抽運(yùn)的長距離BOTDA實驗裝置Fig.7.Experimental setup of long-distance BOTDA with H-DRA incorporatingRFL and 1st-order pumping.

圖8 不同抽運(yùn)下解碼前的布里淵軌跡 (a)混合抽運(yùn);(b)雙向一階抽運(yùn)Fig.8.Brillion traces without decoding:(a)Hybrid pumping;(b)bi-directional 1st-order pumping.

圖9(a)給出了傳感光纖遠(yuǎn)端110—154.4 km范圍經(jīng)解碼的布里淵增益譜.測試過程中,光纖末端154.334 km處約5 m光纖置于溫控箱中,其溫度變化為30°C,室溫為26.2°C.為抑制自相位調(diào)制(SPM)及調(diào)制不穩(wěn)定(MI)引起的非線性譜展寬,布里淵抽運(yùn)峰值輸入功率(～2.5 dBm)及拉曼抽運(yùn)輸入功率(1366 nm主抽運(yùn)為33.7 dBm,1455 nm LD抽運(yùn)為26 dBm)均做了優(yōu)化.考慮到非局域效應(yīng),探測輸入功率(?16 dBm)也做了優(yōu)化.采集到的布里淵軌跡解碼前做16次預(yù)平均,因此,等價平均總次數(shù)為4080.可以看出,整段光纖均表現(xiàn)出較高的信噪比.此外,在5 m加熱點存在明顯的布里淵頻移變化.

單一RDFB-FL抽運(yùn)的DRA抽運(yùn)效率較低(需瓦級抽運(yùn)功率),主要原因在于SMF的瑞利散射系數(shù)較低.過高的抽運(yùn)功率注入將引起非線性問題.為克服這一問題,本小節(jié)將低噪聲LD一階抽運(yùn)與隨機(jī)激光二階抽運(yùn)融合,構(gòu)成一種新型混合DRA結(jié)構(gòu).該方案不僅具有較高的抽運(yùn)效率,還保留了二階隨機(jī)激光抽運(yùn)較低的噪聲指數(shù)特性(優(yōu)于雙向一階抽運(yùn)～0—4 dB).進(jìn)一步,將該方案應(yīng)用于超長距離BOTDA,在不犧牲空間分辨率(5 m)及測量不確定度(±1.4°C)的前提下,使無中繼傳感距離延伸至154.4 km,創(chuàng)造了當(dāng)時國際上BOTDA的最長無中繼傳感距離.這一結(jié)果的獲取主要?dú)w因于:1)較高的抽運(yùn)效率避免了抽運(yùn)功率過高引入的非線性問題;2)二階隨機(jī)激射抽運(yùn)使峰值增益更深入光纖內(nèi)部,確保了光纖遠(yuǎn)端信噪比;3)低噪聲LD一階抽運(yùn)的引入克服了抽運(yùn)-探測RIN轉(zhuǎn)移.

圖9 經(jīng)解碼的110-154.4 km布里淵增益譜:(a)傳感光纖遠(yuǎn)端;(b)不同位置處Fig.9.(a)Decoded BGS vs distance and frequency shift at the far end;(b)decoded BGS at various positions.

該方案具有較高的抽運(yùn)效率,避免了抽運(yùn)功率過高引入的非線性損傷;其有效噪聲指數(shù)低于常規(guī)雙向一階DRA 0—4 dB;具有更好的增益平坦度以確保全程信噪比均衡性;能有效抑制抽運(yùn)-探測RIN轉(zhuǎn)移以提升系統(tǒng)信噪比.

2 長距離相位敏感型光時域反射儀(Φ-OTDR)

2.1 長距離Φ-OTDR的國內(nèi)外發(fā)展歷程回顧

早在1993年,美國TAMU的Taylor和Lee[31]就發(fā)現(xiàn),在光纖中注入超窄線寬激光脈沖后,利用外界振動對后向瑞利散射光相位的調(diào)制特性,可以進(jìn)行振動測量;基于此,他們申請了關(guān)于ΦOTDR的首個美國專利.從專利名字就可以看出,最初Taylor把Φ-OTDR定位為一種入侵監(jiān)測系統(tǒng),而早期的應(yīng)用探索也確實集中在入侵監(jiān)測領(lǐng)域[32?34].Φ-OTDR的前期研究方向主要集中在其傳感機(jī)理的研究上.TAMU的Park等[34]將Φ-OTDR的基本理論模型抽象為:將光纖分成N段,每小段的空間寬度為單位ΔL,將ΔL分為M個由瑞利散射產(chǎn)生的離散的反射鏡,且每個反射鏡的反射率和造成的相位延遲都是隨機(jī)的獨(dú)立分布,該模型解釋了Φ-OTDR的物理規(guī)律,并通過實驗驗證了該模型的有效性.哈爾濱工程大學(xué)的呂月蘭和行永偉[35]研究了影響Φ-OTDR波形的各種物理參數(shù)(折射率、激光頻率和脈寬等)變化時的相應(yīng)瑞利散射波形,通過理論分析和實驗得到上述諸參數(shù)對瑞利散射波形的影響.在Φ-OTDR的關(guān)鍵光學(xué)器件研究方面,TAMU的Choi等[36]研究了激光器的線寬和頻漂對系統(tǒng)傳感性能的影響,而他們研制出的摻鉺光纖激光器可基本滿足實際需求.

在解決上述問題之后,在保持較高空間分辨率的基礎(chǔ)上,如何延伸傳感長度成為Φ-OTDR研究方向的難題.由于Φ-OTDR利用光纖中的瑞利散射效應(yīng),其散射強(qiáng)度非常微弱,并且隨傳感距離的延伸,傳感信號強(qiáng)度呈指數(shù)衰減,使長距離的瑞利散射信號探測更加困難.傳統(tǒng)的Φ-OTDR可以通過摻鉺光纖放大器(EDFA)提高入纖抽運(yùn)功率來提高瑞利散射信號強(qiáng)度,但入纖功率受限于SBS的影響,必須小于SBS閾值[37].在此限制下,Φ-OTDR的極限長度只能達(dá)到25 km(35 m空間分辨率)[33].為了克服這一限制,在第20屆OFS會議上,分布式放大的概念被引入到Φ-OTDR中,從前向和后向兩個方向上利用一階拉曼抽運(yùn)對抽運(yùn)光和信號光進(jìn)行放大,成功地將傳感長度延伸到62 km(100 m空間分辨率)[39].進(jìn)一步,西班牙Alcalá大學(xué)的Martins等[38]利用一階雙向拉曼放大的思路,利用半導(dǎo)體光放大器(SOA)和光開關(guān)提高了入射脈沖光的光信噪比(OSNR),并通過平衡探測器減少拉曼抽運(yùn)RIN轉(zhuǎn)移的影響,將傳感距離延伸到125 km(10 m空間分辨率).在探測方面,2010年Ottwa大學(xué)Lu等[40]將外差檢測引入到Φ-OTDR中,大幅度提高了系統(tǒng)的探測信噪比,從而減少了平均次數(shù),提高了系統(tǒng)的振動頻響能力,證明外差探測除了能應(yīng)用于COTDR(靜態(tài)損耗、溫度、應(yīng)變測量)外,也可顯著提升動態(tài)振動信號的檢測效果.在此基礎(chǔ)上,Ottwa大學(xué)的Qin等[41]實現(xiàn)了基于保偏光纖的外差檢測Φ-OTDR,由于瑞利散射光偏振態(tài)保持不變,因此可以通過調(diào)整本振偏振態(tài)的方法與瑞利散射光同偏振,從而避免了偏振衰退,提高了系統(tǒng)的信噪比.之后,前向的一階拉曼放大以及外差檢測被應(yīng)用至Φ-OTDR,將系統(tǒng)的傳感距離提升至103 km(15 m空間分辨率)[42],隨后又采用二階拉曼放大實現(xiàn)了131 km的Φ-OTDR[37].

2014年,分區(qū)型分布式光纖放大方法首次被提出,實現(xiàn)了175 km的Φ-OTDR系統(tǒng)[43],將ΦOTDR無中繼傳感距離的世界記錄大幅提升了約50 km,這也是目前國際上無中繼傳感距離最長的分布式光纖傳感系統(tǒng).表2總結(jié)了近年來Φ-OTDR性能指標(biāo)提升的情況.

表2 Φ-OTDR發(fā)展歷程Table 2.The development history of phi-OTDR.

2.2 基于雙向一階拉曼放大的Φ-OTDR

自從1990年代較為成熟的拉曼抽運(yùn)激光器出現(xiàn)以來,與EDFA相比,由于具有更低的噪聲指數(shù)和更平坦的增益,拉曼放大技術(shù)在光纖通信和光纖傳感中得到非常廣泛的應(yīng)用[27,30,44,45].在光纖傳感領(lǐng)域,DRA技術(shù)對于多種光纖傳感器的距離延伸起到關(guān)鍵性作用.而在本課題所研究的ΦOTDR技術(shù)中,利用一階雙向DRA可實現(xiàn)62 km(100 m空間分辨率)[46]和74 km(20 m空間分辨率)[47]的空間分辨率.但是,僅僅利用一階雙向DRA進(jìn)一步提升Φ-OTDR的綜合傳感性能非常困難,原因就在于:一方面,直接探測的探測信噪比不能滿足更長距離和更高空間分辨率的Φ-OTDR的要求;另一方面,瑞利散射的功率分布和SBS對抽運(yùn)功率的限制需要被同時兼顧,同時直接探測時,散射光中的布里淵散射光無法與瑞利散射光分離,這也進(jìn)一步限制了入纖脈沖光功率和拉曼抽運(yùn)功率.

因此,綜合上述分析,基于一階雙向拉曼放大和外差探測的組合技術(shù)方案被提出,此方案實現(xiàn)了Φ-OTDR在傳感距離、空間分辨率、靈敏度三方面的整體提高,實現(xiàn)傳感距離＞100 km,空間分辨率(＜10 m)的高靈敏度Φ-OTDR系統(tǒng),系統(tǒng)原理如圖10所示[37].

可以看出該犯罪為結(jié)果犯。從構(gòu)成要件分析：首先，犯罪客體是計算機(jī)信息系統(tǒng)的正常使用及其中數(shù)據(jù)的安全。犯罪對象僅限于正在使用的計算機(jī)信息系統(tǒng)中存儲、處理、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。脫離計算機(jī)信息系統(tǒng)存放的計算機(jī)數(shù)據(jù)，如光盤、U盤中的計算機(jī)數(shù)據(jù)并不是本罪的保護(hù)對象。其次，犯罪的客觀方面：本罪的危害行為是非法獲取前述計算機(jī)系統(tǒng)中計算機(jī)數(shù)據(jù)和非法控制計算機(jī)信息系統(tǒng)的行為。再次，主體是一般主體，單位不構(gòu)成本罪。最后，主觀方面表現(xiàn)為故意，過失不構(gòu)成本罪。

振動實驗可用于驗證基于一階雙向拉曼放大和外差檢測的Φ-OTDR的傳感性能,實驗結(jié)果如圖11所示.

圖10 基于一階雙向拉曼放大和外差檢測的Φ-OTDRFig.10.Φ-OTDR setup based on bidirectional 1storder Raman amplifying and heterodyne detection.

圖11 在不同探測光和拉曼抽運(yùn)功率組合下的瑞利散射曲線,其中(b),(c),(d)中的曲線為仿真結(jié)果Fig.11.Rayleigh scattering signals with different combination of probe and pump light,where the curves in(b),(c),and(d)are the results of simulation.

在振動實驗中,為盡可能地減小系統(tǒng)的觸發(fā)周期,脈沖的重復(fù)頻率設(shè)置為770 Hz,與光纖長度匹配較好.系統(tǒng)工作在優(yōu)化功率組合下,由圖11(d),系統(tǒng)信噪比最低的位置位于100 km附近,因此在本節(jié)的振動實驗和下一節(jié)的入侵實驗中,選取97.51 km作為測試位置.為了驗證該系統(tǒng)的最大響應(yīng)頻率,97.51 km處的5 m纏繞在柱狀壓電陶瓷(PZT)上的光纖被用于進(jìn)行振動測試.PZT的驅(qū)動信號為正弦波,頻率范圍為25—375 Hz,加入的電致伸縮約為3μm.測試點處在不同頻率下的自功率譜如圖12所示,與加入的驅(qū)動信號頻率對應(yīng)較好.因此該系統(tǒng)的最大頻率響應(yīng)為375 Hz,接近該系統(tǒng)的理論極限響應(yīng)頻率385 Hz.

圖12 97.51 km處不同頻率振動信號下的自功率譜Fig.12.Auto-power spectrum in different vibration frequencies at the location of 97.51 km.

2.3 基于分區(qū)型混合放大的Φ-OTDR

光纖布里淵放大(FBA)技術(shù)是一種基于SBS的新型分布式放大技術(shù),由于布里淵增益系數(shù)遠(yuǎn)高于拉曼增益系數(shù)(三個數(shù)量級),因此若要實現(xiàn)相同的放大效果,FBA所需抽運(yùn)功率將遠(yuǎn)低于光纖拉曼放大(FRA)所需抽運(yùn)功率.2014年,本課題組首次將FBA技術(shù)引入到光纖傳感系統(tǒng)中,僅使用6.4 dBm的背向布里淵抽運(yùn)就實現(xiàn)了傳感距離為100 km、空間分辨率為10 m的Φ-OTDR,相比使用28.0 dBm的背向拉曼抽運(yùn)而言,獲得信號的信噪比更高[48].

為了最大限度地延伸Φ-OTDR的傳感距離,提出了一種新型的分區(qū)型分布式放大(HDA)技術(shù),結(jié)合使用了三種不同的抽運(yùn)方式,把Φ-OTDR的傳感距離延長到了創(chuàng)世界紀(jì)錄的175 km(空間分辨率為25 m,往返光纖損耗約為70 dB).

圖13簡要展示了HDA技術(shù)的原理.根據(jù)光纖的BFS的不同,所使用的傳感光纖可以分成三段:第一光纖(Seg.1)、第二光纖(Seg.2)、第三光纖(Seg.3).第二光纖的BFS與第一光纖、第三光纖相差較大.

圖13 HDA技術(shù)原理框圖Fig.13.Technical principle diagram of HDA.

通過調(diào)整布里淵抽運(yùn)源輸出的布里淵抽運(yùn)光功率,使得受激布里淵放大效應(yīng)主要發(fā)生在第二光纖中.第一光纖中的信號光(1550 nm)主要由前向二階拉曼抽運(yùn)光(1365 nm)放大,第三光纖中的信號光則由后向一階拉曼抽運(yùn)光(1455 nm)放大而不會被布里淵抽運(yùn)放大,布里淵抽運(yùn)光(～1550 nm,頻率上與信號光相差一個布里淵頻移)在本段光纖中會受到一階拉曼放大,使得布里淵抽運(yùn)能量被推送至第二光纖,第二光纖內(nèi)的信號光主要由增益系數(shù)更高的布里淵抽運(yùn)放大.每一種抽運(yùn)方式都各自為一段光纖中的信號光提供放大,于是全程光纖中的信號光均受到分布式放大,從而可以獲得更長的無中繼傳輸距離.這種分區(qū)型分布式放大技術(shù)可以應(yīng)用于分布式光纖傳感系統(tǒng)中的延長系統(tǒng)傳感距離.

下面從仿真上說明HDA方案的優(yōu)越性.采用超長距離拉曼光纖隨機(jī)激光器(URFL,基于二階拉曼隨機(jī)激光放大)作為放大抽運(yùn)源的系統(tǒng)被用于與HDA方案做對比.抽運(yùn)功率仿真結(jié)果如圖14所示,由圖可知,相比于URFL系統(tǒng),布里淵抽運(yùn)光的強(qiáng)度從175 km處開始不斷增大,直到約155 km處達(dá)到最大,然后緩緩減弱,體現(xiàn)了從175 km處注入1455 nm一階拉曼抽運(yùn)光的放大作用.

圖14 采用HDA技術(shù)時拉曼抽運(yùn)(RP)與布里淵抽運(yùn)(BP)功率分布以及采用URFL技術(shù)時的RP分布Fig.14.Power distribution of 1455 nm RP and 1550 nm BP with HAD and URFL,respectively.

圖15 使用URFL及HDA方案的瑞利散射軌跡仿真對比Fig.15.Rayleigh backscattering trace comparison between URFL and HDA schemes in simulation.

圖15為采用兩種不同方案得到的探測脈沖光的瑞利散射軌跡仿真圖.由圖15可知,在使用URFL放大方案的模型中,瑞利散射光強(qiáng)度在約37 km處達(dá)到最大值,隨后由于拉曼增益不能完全補(bǔ)償信號光在傳播過程中受到的光纖損耗,散射光強(qiáng)度不斷下降.雖然整個光纖的前半程有反向傳播的拉曼抽運(yùn)作用,瑞利散射強(qiáng)度還是持續(xù)下降直到非常微弱,與之形成鮮明對比的是,在HDA方案中,Seg.2中信號光強(qiáng)度被布里淵抽運(yùn)快速拉升,信號光傳播到Seg.3中時受到背向一階拉曼抽運(yùn)放大,進(jìn)一步提高了瑞利散射信號功率.從圖15所示的仿真圖可以看出,HDA技術(shù)方案可以用來實現(xiàn)超長距離的OTDR系統(tǒng).

基于HDA技術(shù)及外差探測技術(shù),搭建了一套傳感光纖總長為175 km的Φ-OTDR實驗系統(tǒng);對比了不同的抽運(yùn)情況下的傳感信號;由于受激布里淵效應(yīng)與溫度有關(guān),在獲得最優(yōu)信號的基礎(chǔ)上改變布里淵抽運(yùn)光頻率,測試了系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性;進(jìn)行單點及多點同時侵?jǐn)_實驗,檢測系統(tǒng)的入侵檢測傳感性能.實驗系統(tǒng)框架如圖16所示[49].

圖17 不同抽運(yùn)下的Φ-OTDR曲線 (a)抽運(yùn)全開與未加布里淵抽運(yùn);(b)抽運(yùn)全開與未加背向一階拉曼抽運(yùn)Fig.17.Φ-OTDR traces:(a)All pumps on vs BP off;(b)all pumps on vs 1455 nm semiconductor RP off.

基于上述實驗系統(tǒng),首先進(jìn)行了不同抽運(yùn)對于Φ-OTDR信號放大效果的對比實驗.HDA方案中,布里淵抽運(yùn)光與探測脈沖光的頻率差首先被設(shè)置為11.034 GHz,使得Seg.2中發(fā)生最強(qiáng)的受激布里淵作用.系統(tǒng)在不同抽運(yùn)條件下獲得的ΦOTDR曲線(平均32次,對應(yīng)的系統(tǒng)帶寬為7.8 Hz)如圖17所示.

由圖17(a)可知,與沒有加布里淵抽運(yùn)(BP)的情況相比,可以看出布里淵抽運(yùn)會對獲得的信號強(qiáng)度產(chǎn)生重大影響.另外,由圖17(b)可知,在沒有加反向一階拉曼抽運(yùn)時,布里淵抽運(yùn)基本上不會發(fā)揮作用,在這種情況下,布里淵抽運(yùn)傳輸?shù)絊eg.2時已經(jīng)過于微弱,無法為探測脈沖光提供足夠的增益,因此反向一階拉曼抽運(yùn)也是不可或缺的.

外界溫度的改變會引起傳感光纖的布里淵增益譜發(fā)生改變,影響光纖中受激布里淵作用的放大效果.SMF的BFS隨溫度變化的漂移率約為1 MHz/°C.在本實驗中,通過改變布里淵抽運(yùn)光的頻率,對比探測器獲得的干涉曲線以檢測系統(tǒng)對外界環(huán)境溫度變化的敏感性.實驗結(jié)果如圖18所示.

圖18(a)是未加布里淵抽運(yùn)與布里淵抽運(yùn)頻移設(shè)置為11.022 GHz的散射曲線對比圖,圖18(b)是為加布里淵抽運(yùn)與布里淵抽運(yùn)頻移設(shè)置為11.047 GHz的散射曲線對比圖.從這兩幅圖可以看出,布里淵抽運(yùn)的頻率確實會在一定程度上影響放大效果,然而即使布里淵抽運(yùn)頻率從11.022 GHz變化到11.047 GHz,即變化25 MHz對應(yīng)環(huán)境溫度變化25°C,布里淵抽運(yùn)的放大效果依然非常顯著,通過與未加布里淵抽運(yùn)的情況對比可以看出布里淵抽運(yùn)是不可或缺的.通過這兩組對比實驗可以看出,使用HDA技術(shù)的Φ-OTDR對溫度變化(光纖BFS變化)的環(huán)境有較好的適應(yīng)性.

由于環(huán)境溫度變化較為緩慢的,在必要時可以采用一種頻率漂移自適應(yīng)控制算法(基于環(huán)境溫度變化,對應(yīng)調(diào)整布里淵抽運(yùn)光頻率),將可更好地補(bǔ)償較大的光纖布里淵頻移漂移.

為了測試所搭建系統(tǒng)的入侵檢測能力,在傳感光纖的87.3,136.6以及174.7 km處分別盤出一小卷長約10 m的光纖作為測試點.測試所采用的侵?jǐn)_方式是用手輕拍測試點處光纖.在信號處理方面,采用了小波變換技術(shù)以更加準(zhǔn)確地提取侵?jǐn)_信息,提高Φ-OTDR系統(tǒng)的檢測性能.單點入侵及多點同時入侵實驗解調(diào)效果如圖19所示.

圖19(a)所示為單點入侵效果圖,在174.7 km處測試點施加侵?jǐn)_時,獲得的解調(diào)出來信號的SNR為12.1 dB,在本節(jié)中SNR是指信號峰值強(qiáng)度與背景噪聲強(qiáng)度的均方根比值;圖19(b)體現(xiàn)了了系統(tǒng)的多點監(jiān)測能力,在87.3 km與136.6 km處進(jìn)行的侵?jǐn)_被同時檢測到,SNR分別為11.6 dB與12.6 dB.由以上侵?jǐn)_測試結(jié)果可知,實驗系統(tǒng)性能優(yōu)良.

圖18 不同布里淵抽運(yùn)頻率與未加布里淵抽運(yùn)時的Φ-OTDR曲線 (a)布里淵抽運(yùn)頻移設(shè)置為11.022 GHz與未加布里淵抽運(yùn)獲得的散射曲線;(b)布里淵抽運(yùn)頻移設(shè)置為11.047 GHz與未加布里淵抽運(yùn)獲得的散射曲線Fig.18.Φ-OTDR traces:(a)BP frequency shift at 11.022 GHz vs without BP;(b)BP frequency shift at 11.047 GHz vs without BP.Insets:comparison of the signal inside the fiber and the noise outside the fiber.

圖19 測試點侵?jǐn)_解調(diào)效果圖 (a)174.7 km處侵?jǐn)_;(b)87.3 km與136.6 km處同時侵?jǐn)_Fig.19.Demodulated intrusion signal at different locations:(a)Single-point perturbation at 174.7 km;(b)twopoint perturbation at 87.3 and 136.6 km.Insets:comparison of the signal inside the fiber andthe noise outside the fiber.

與之前的傳感距離紀(jì)錄相比,雖然本文中更寬的脈沖寬度為獲得的信號提供了約5 dB的增益,但是本文所實現(xiàn)系統(tǒng)的往返損耗比前記錄大了約18 dB,由此可看出本文所搭建的系統(tǒng)更加難以實現(xiàn).進(jìn)一步優(yōu)化該系統(tǒng),將可實現(xiàn)更長的傳感距離更高的空間分辨率,該方案也可以被用在其他的分布式光纖傳感系統(tǒng)中延長傳感距離.

3 長距離分布式光纖傳感系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 基于Φ-OTDR的列車定位與測速系統(tǒng)

目前的鐵路領(lǐng)域通過基于通信的列車控制系統(tǒng)(CBTC)實時獲取列車的位置和速度來保證列車的安全運(yùn)行[50],而CBTC通過軌道電路獲知列車的實時位置.雖然軌道電路采取了防雷電措施,但是在一些極端天氣情況,比如強(qiáng)雷電下,軌道電路仍然有可能失效,導(dǎo)致列車調(diào)度的失敗,進(jìn)而導(dǎo)致列車運(yùn)行安全事故[51].2011年的甬溫線特別重大鐵路交通事故的部分原因就是頻繁的雷擊導(dǎo)致軌道電路失效,事故造成巨大的生命財產(chǎn)損失[52].因此,在軌道交通領(lǐng)域,研究能夠抗電磁干擾的新型列車定位與測速系統(tǒng)具有重要意義.該系統(tǒng)必須同時滿足以下三個特性:1)長距離測量,通常情況下,兩車站間距＞10 km,如果測量距離較短,需要的設(shè)備較多,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本和穩(wěn)定性都難以保證;2)實時性好,必須能夠?qū)崟r獲取列車的位置和速度,如果不能滿足實時性要求,對于高速運(yùn)行的列車來說就失去了應(yīng)用的價值;3)抗電磁干擾,在滿足前面兩條的基礎(chǔ)上,必須能夠抗電磁干擾(雷擊),否則與目前的軌道電路相比,就失去了技術(shù)優(yōu)勢,同樣沒有應(yīng)用的價值.

研究發(fā)現(xiàn),連接埋設(shè)在鐵軌下方或附近的通信光纖,Φ-OTDR可以對振動源——火車實時定位.進(jìn)一步地,對實時獲知的列車位置進(jìn)行微分,就能實時探測列車的速度[53].Φ-OTDR具備長距離、實時性好、抗電磁干擾的特性,因此基于Φ-OTDR振動探測的高速列車定位與測速系統(tǒng),就具有實用的可能性.

監(jiān)控中心的Φ-OTDR主機(jī)連接埋設(shè)于鐵軌側(cè)下方的12.1 km的單模光纜.該Φ-OTDR主機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖20所示.一個超窄線寬(～3 kHz)、低頻漂(＜1 MHz/min)的半導(dǎo)體光源首先被聲光調(diào)制器(AOM)調(diào)制,驅(qū)動信號的重復(fù)頻率和脈沖寬度分別為1 kHz和200 ns.這樣對應(yīng)的空間分辨率為20 m.調(diào)制的光脈沖被EDFA放大后,通過環(huán)形器后進(jìn)入待測光纖中.光纖中的瑞利散射信號首先被EDFA放大,并通過帶通濾波器濾除EDFA帶來的放大器自發(fā)射噪聲(ASE噪聲),最后放大的瑞利散射信號被10 MHz帶寬的光電探測器探測.利用采樣率為50 MSamples/s的A/D將光電探測器輸出的電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,并最終在計算機(jī)中進(jìn)行處理最終的光電轉(zhuǎn)換后的信號.

圖20 基于Φ-OTDR的列車定位與測速系統(tǒng)框圖Fig.20.Schematic diagram of Φ-OTDR used in position and speed monitoring of trains.

現(xiàn)場的光纜、鐵軌、列車之間的相對關(guān)系如圖21所示.12.1 km的光纖埋地深度為0.7—1.5 m,光纜與兩鐵軌互相平行,且離最近的鐵軌距離大約15—20 m,其中有10.2 km的光纜在監(jiān)控范圍內(nèi).兩列列車以較為固定的速度相向而行,列車產(chǎn)生的振動通過土壤傳遞到光纜,對光纜施加應(yīng)變.監(jiān)控中心中的Φ-OTDR不斷探測整條光纜鏈路的振動情況.

圖21 光纜、鐵軌、列車相對位置關(guān)系示意圖Fig.21.Relative positions between the optical cable,trains and railways.

由于采用的是直接探測方案,因此需要平均的次數(shù)較多,原始的瑞利散射曲線首先平均25次以降低探測器的熱噪聲的影響,從而提高瑞利散射信號的探測信噪比.當(dāng)兩輛列車分別經(jīng)過5.53 km時,探測到的原始振動信號如圖22(a)所示,經(jīng)過小波去噪后的振動信號如圖22(b)所示,經(jīng)過去噪后的振動信號的信噪比提升非常明顯,并且可以看到列車接近-經(jīng)過-遠(yuǎn)離該位置,信號從無到有,并逐漸變強(qiáng),最后逐漸減弱的過程.

在通過小波去噪并獲得信噪比較高的振動信號后,通過均方根來對每個定位周期內(nèi)所有位置的振動信號的振動水平進(jìn)行量化.以第70 s和378 s為例,經(jīng)過量化,所有位置處的振動水平如圖23所示.圖中箭頭間的空間長度代表這兩個定位周期內(nèi)受到火車影響出現(xiàn)振動的范圍,分別約為1100 m和960 m,該空間長度略長于火車長度,因此可以通過該長度估計兩列火車的長度.

整個列車運(yùn)行過程,獲得的振動水平-時間-空間強(qiáng)度如圖24(a)所示,進(jìn)一步通過均方根量化振動水平-滑動方差-峰值檢測,得到每個定位周期的列車產(chǎn)生振動的上升沿和下降沿,獲得的上升沿和下降沿分別與列車的首尾對應(yīng),如圖24(a)所示.最終,對列車的位移曲線求導(dǎo),得到列車的速度曲線,如圖24(b)所示.

圖22 5.53 km處的(a)原始振動信號,(b)小波去噪后的振動信號Fig.22.(a)Original time series of vibrations;(b)vibration signals after wavelet denoising.

由圖24(b),列車的整個運(yùn)行狀態(tài)為:當(dāng)列車A在10 km處以115 km/h的速度向左運(yùn)行,列車B還未進(jìn)入監(jiān)控區(qū)域.當(dāng)列車B在約174 s時以約105 km/h速度進(jìn)入監(jiān)控區(qū)域.在194 s左右,兩車在約3.9 km處相匯.在相匯時,兩車由于共振,使振動的區(qū)域非常寬,如圖24(a)中交叉區(qū)域所示.兩車分別約在420 s和255 s時駛離監(jiān)控區(qū)域,整段光纖趨于平靜.

圖23 不同點振動信號圖 (a)t=70 s時的原始振動信號;(b)t=378 s時的原始振動信號Fig.23.Vibration signals of train A and B at two different time points:(a)t=70 s;(b)t=378 s.

圖24 列車振動信號分布圖 (a)振動幅度時間空間圖;(b)兩列車運(yùn)行軌跡圖Fig.24.(a)Vibration intensity vs space and time and the edges of every location period;(b)the two edges of the two trains’heads(blue lines).The red lines are the fitting traces of the two trains.

上述實驗結(jié)果足以說明Φ-OTDR在該領(lǐng)域應(yīng)用的可行性和未來的應(yīng)用潛力:Φ-OTDR可以作為目前CBTC的有效補(bǔ)充和備選方案,在極端惡劣的雷電天氣下,與目前的軌道電路相比,其測量結(jié)果的有效性更高,可有效避免由于軌道電路失效導(dǎo)致的列車調(diào)度事故.同時Φ-OTDR在軌道交通的應(yīng)用類型遠(yuǎn)遠(yuǎn)不僅限于此.我們只關(guān)注了列車的振動水平隨時間的變化,而未對其振動模式進(jìn)行分析(列車引起地面振動的其他信號特征),而這類振動模式往往可以反映鐵軌和路基的安全狀況.因此,Φ-OTDR未來可望在軌道交通中的結(jié)構(gòu)健康安全監(jiān)測上發(fā)揮重要作用.

3.2 基于DAS的石油管道安全監(jiān)測系統(tǒng)

當(dāng)Φ-OTDR采用相位解調(diào)時,Φ-OTDR具備探測外界振動和聲波變化的能力,包括聲波的幅度、頻率、相位信息.在石油工業(yè)界,DAS已經(jīng)展現(xiàn)出前所未有的應(yīng)用前景.在國外,率先開展DAS應(yīng)用的是英國的Optasense和Silixa公司,應(yīng)用的類型主要分為兩類:地震波檢測和石油管道安全監(jiān)測,覆蓋了石油工業(yè)的勘探、生產(chǎn)、運(yùn)輸三個過程,具有重要的經(jīng)濟(jì)意義和社會意義[54,55].國內(nèi)雖然開展Φ-OTDR的研究雖然較早,但是DAS的研究與應(yīng)用較晚,相比國外仍有較大差距.

早在2008年,Optosense就致力于DAS在石油管道安全監(jiān)測的應(yīng)用,提出了“zero pipeline incidents”(零管道事故)的口號,主要致力于管道安全的兩個方面:一是第三方干擾(TPI),也就是對于潛在的或者正在實施的對管道的第三方破壞行為,包括對于管道的機(jī)械挖掘、人為挖掘、重型車輛等進(jìn)行提前預(yù)報或報警;二是提供新型的多個模式的管道泄漏探測,比如管道的腐蝕導(dǎo)致的管道泄漏.

由于國內(nèi)的大部分石油管道安全事故主要是由偷盜油對管道的破壞造成的,因此對于泄漏檢測的需求要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對于TPI檢測的需求.石油管道的盜油活動,不僅造成石油產(chǎn)品的損耗,帶來直接的經(jīng)濟(jì)損失,更重要的是,由于盜油者對管道的破壞很可能造成環(huán)境的污染,帶來嚴(yán)重的生態(tài)災(zāi)難[55].盜油活動所有的過程,均會在管道形成地震波,而目前國內(nèi)的管道增壓站之間的通信,均采用光纖通信,而光纖通信鏈路與石油管道是并行鋪設(shè),且相隔較近,因此TPI入侵動作產(chǎn)生的地震波會較好地傳遞到通信光纖上.因此,DAS從增壓站點的通信光纜接入,就能夠完成長距離入侵監(jiān)測的目的.

現(xiàn)場利用DAS進(jìn)行管道TPI監(jiān)測的具體實施方案如圖25所示.光纜埋地深度從1—2 m不等.DAS置于增壓站A處,連接與石油管道并行的傳感光纜,管道總長為50 km.現(xiàn)場的石油管道的情況較為復(fù)雜,靠近公路和鐵路的地方較多,車輛的振動對監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)生較多的干擾,因此需要對各種振動信號進(jìn)行識別,以區(qū)分不同振動信號的類型,最終達(dá)到屏蔽絕大多數(shù)的干擾,只對TPI入侵動作有報警響應(yīng).

圖25 基于DAS的石油管道安全監(jiān)測系統(tǒng)的實施方案圖Fig.25.Schematic diagram of the oil pipeline safety monitoring system based on DAS.

為了驗證該系統(tǒng)的效果,在光纖的尾端約47 km處,利用本實驗室研發(fā)的DAS,采集管線附近的各種動作,包括挖掘、走路、跑步、車輛產(chǎn)生的振動信號.測試位置離路邊較近,各類車輛,特別是重型車輛在經(jīng)過該處管道時,產(chǎn)生非常大的振動信號,容易造成誤報警.

圖26 距光纜垂直距離1 m處刨地時,振動幅度-時間-距離的瀑布圖Fig.26.Waterfall figure of vibration amplitude-timedistance when digging the ground at 1 m vertical distance away from theoptical cable.

在測試點附近進(jìn)行挖掘時,得到的振動幅度時間距離的瀑布圖如圖26所示,在47250—47270 m之間,振動信號的幅值較大,在瀑布圖上體現(xiàn)為隨挖掘動作節(jié)奏出現(xiàn)亮點.對上述空間位置處的信號進(jìn)行疊加,得到在不同入侵動作時的振動時域信號、自功率譜、短時傅里葉變換(STFT)如圖27所示.

圖27 距光纜垂直距離1 m處刨地得到的(a)時域波形,(b)頻譜,(c)STFTFig.27.(a)Time-domain waveform,(b)frequency spectrum,(c)STFT when digging the ground at 1 m vertical distance away from the optical cable.

除了系統(tǒng)需要報警的挖掘動作,在現(xiàn)場本課題組對其他產(chǎn)生振動的常見動作(跑跳、走路)也進(jìn)行了采集分析,根據(jù)測試結(jié)果,總結(jié)得到各類振動信號的模式特性如下.

1)時域幅度特征:挖掘和跳躍等動作,都可以產(chǎn)生較大幅度的振動信號,而人走路產(chǎn)生的振動明顯小很多,這一點可以通過時域信號的比較容易得出.

2)時域的持續(xù)性特征:對于車輛等產(chǎn)生的信號,從較長時間尺度(秒級)上,延續(xù)時間較長.以圖28為例,火車經(jīng)過時,產(chǎn)生的振動信號雖然較大,但是其持續(xù)時間非常長,形成連續(xù)不斷的持續(xù)振動波.

圖28 火車產(chǎn)生的振動時域波形Fig.28.Time-domain waveform of vibrations generated by the train.

3)功率頻譜特征:挖掘產(chǎn)生的振動的主要頻率成分在(50±15)Hz以內(nèi),與人的跑跳產(chǎn)生振動的主要頻率成分存在較大區(qū)別.

4)瞬時頻率特征:通過圖29(a)和圖29(b)的比較可以看到,挖掘產(chǎn)生的振動信號能量主要集中在50—100 Hz較高頻段內(nèi),而對于跳躍產(chǎn)生的信號,能量從0—60 Hz有非常好的延續(xù).

圖29 距光纜垂直距離1 m處 (a)刨地,(b)人跑跳的STFTFig.29.STFT figure of(a)digging,(b)running or jumping at 1 m vertical distance away from the cable.

綜上,在保證長距離DAS信噪比的基礎(chǔ)上,對該系統(tǒng)采集得到的信號的振動模式進(jìn)行了分析,并總結(jié)出管道安全中關(guān)注的挖掘動作相比其他干擾(人的正?；顒优?、跳、走等動作以及車輛的干擾)的信號特征,證明了基于DAS的長距離管道安全監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)越性能.從上述四個信號特征,形成多維的判據(jù),一方面形成對石油管道安全監(jiān)測中感興趣的特定振動——開挖(刨土)動作的有效檢測,另一方面對于外界干擾,比如人的正?；顒?走動、跑步)以及車輛產(chǎn)生的振動,能夠有效屏蔽,減少系統(tǒng)的誤報警,從而為后續(xù)形成真正實用化的長距離石油管道安全監(jiān)測系統(tǒng)打下了良好的基礎(chǔ).

4 總 結(jié)

本文系統(tǒng)回顧了長距離布里淵光時域分析儀(BOTDA)和相位敏感型光時域反射儀(Φ-OTDR)的國內(nèi)外研究進(jìn)展及相關(guān)關(guān)鍵技術(shù).重點闡述了本團(tuán)隊在長距離BOTDA和Φ-OTDR取得的研究進(jìn)展,包括基于環(huán)形腔隨機(jī)光纖激光放大的BOTDA、基于隨機(jī)光纖激光與低噪聲LD混合放大的BOTDA、基于雙向一階拉曼放大的ΦOTDR、基于分區(qū)型混合放大的Φ-OTDR以及長距離分布式光纖傳感系統(tǒng)在列車定位與測速和石油管道安全監(jiān)測方面的應(yīng)用研究.隨著分布式光纖傳感技術(shù)在傳感距離和傳感精度上的突破,其在周界安防、石油電力、大型結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域的安全監(jiān)控方面將發(fā)揮愈發(fā)重要的作用.

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