復(fù)合光纖對(duì)φ-OTDR振動(dòng)傳感遠(yuǎn)程敏感

王振偉，孔 勇，丁 偉，吳 虎，李 歡

(上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院 電子信息工程系，上海 201620)

引 言

相位敏感光時(shí)域反射儀(phase-sensitive optical time-domain reflectometer,φ-OTDR)技術(shù)與其它傳感技術(shù)相比，具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、靈敏度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在周界安防、油氣管道監(jiān)測(cè)、軌道交通檢測(cè)等眾多領(lǐng)域[1-2]。隨著φ-OTDR傳感技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，研究者對(duì)其感測(cè)距離、空間分辨率、信噪比、頻率響應(yīng)范圍、識(shí)別入侵類(lèi)型等方面進(jìn)行深入研究[3]。同時(shí)，研究者還將瑞利背向散射、喇曼放大、雙波長(zhǎng)、馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x(Mach-Zehnder interferometer,MZI)等技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)一些特定的功能。2014年,PENG教授等人提出喇曼放大與φ-OTDR系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了128km傳感距離，其空間分辨率為15m[4]。2019年,WU等人通過(guò)相位噪聲補(bǔ)償技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程分布式振動(dòng)傳感[5]。研究人員在φ-OTDR系統(tǒng)配置保偏光纖，其空間分辨率可達(dá)1m[6]。MZI與φ-OTDR結(jié)合極大提高了對(duì)低頻信號(hào)的測(cè)量范圍[7]。LU等人于2010年提出使用移動(dòng)平均和小波去噪探測(cè)φ-OTDR系統(tǒng)中大于1kHz的信號(hào)，定位精度小于5m[8]。使用窄帶寬激光器傳感系統(tǒng)的激光噪聲比較低，傳感性能更好，可以獲取更高的信噪比[9]。2019年,ZABIHI等人提出使用3種不同探測(cè)頻率的φ-OTDR傳感器抑制連續(xù)衰落引發(fā)的失真，抑制效果為11.5%[10]。2019年，南京大學(xué)的YUAN等人使用MZI補(bǔ)償φ-OTDR中的激光頻率，用于校正主信號(hào)的相位，6km的傳感光纖上可以測(cè)得頻率為0.1Hz的振動(dòng)，空間分辨率為10m[11]。在識(shí)別干擾入侵方面，基于模式識(shí)別的φ-OTDR是該領(lǐng)域的新熱點(diǎn)，北京交通大學(xué)WANG等人使用隨機(jī)森林分類(lèi)器識(shí)別出φ-OTDR系統(tǒng)中的外界干擾信號(hào)[12]，例如澆水、敲擊、攀爬、按壓等多種信號(hào)，平均識(shí)別率為95%。

目前，基于多模光纖為傳感介質(zhì)的光纖傳感器也有著廣泛的應(yīng)用空間，主要通過(guò)模間串?dāng)_產(chǎn)生相干，依據(jù)輸出散射的圖案，對(duì)擾動(dòng)前后斑點(diǎn)圖案的變化進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量和定位[13-14]。使用多模光纖為敏感元件的分布式聲學(xué)和溫度測(cè)量系統(tǒng)，以瑞利信號(hào)測(cè)量振動(dòng)信息、喇曼測(cè)量溫度信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)進(jìn)行分布式聲學(xué)和溫度測(cè)量[15]。2020年,MARKIEWICZ等人提出了在多模光纖中使用單模操作的相干時(shí)域詢(xún)問(wèn)新技術(shù)[16]。與單模光纖相比多模光纖有更高的非線(xiàn)性閾值水平以及更強(qiáng)的散射捕獲率，射入高功率探測(cè)脈沖不會(huì)引起調(diào)制不穩(wěn)定，但是多模光纖模式之間存在串?dāng)_，導(dǎo)致傳輸距離不遠(yuǎn)。

本文中提出φ-OTDR傳感系統(tǒng)配置多模光纖與單模光纖相結(jié)合為傳感介質(zhì)，前一段傳感介質(zhì)為多模光纖，然后通過(guò)模式轉(zhuǎn)換器連接單模光纖。這種傳感結(jié)構(gòu)既避免高功率探測(cè)脈沖直接流入單模光纖造成調(diào)制不穩(wěn)定，避免了探測(cè)前端有一段不敏感區(qū)域，同時(shí)也避免了只使用多模光纖造成傳輸距離不遠(yuǎn)。這種創(chuàng)新的傳感結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)，且保證檢測(cè)距離遠(yuǎn)程敏感。

1 φ-OTDR傳感原理與理論分析

基于φ-OTDR系統(tǒng)相干檢測(cè)的原理為瑞利相干散射的光時(shí)域反射技術(shù)。φ-OTDR的光源為窄線(xiàn)寬激光器，φ-OTDR的傳感系統(tǒng)與常規(guī)OTDR傳感系統(tǒng)相比有多種優(yōu)勢(shì)，例如具有高靈敏度、長(zhǎng)距離測(cè)量等等。在傳感系統(tǒng)中，窄線(xiàn)寬激光器發(fā)出連續(xù)的光波經(jīng)過(guò)聲光調(diào)制器(acousto-optic modulator,AOM)調(diào)制成脈沖波，在通過(guò)摻鉺光纖放大器(Er-doped fiber amplifier,EDFA)放大，經(jīng)衰減器適當(dāng)調(diào)節(jié)后，具有高相干的光脈沖序列進(jìn)入環(huán)行器流入傳感光纖作為光信號(hào)。探測(cè)器收到光信號(hào)將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，通過(guò)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，最后在工控機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

當(dāng)一個(gè)脈沖周期內(nèi)，光纖上無(wú)擾動(dòng)時(shí)，后向相干瑞利散射光的響應(yīng)模型為1-D脈沖，但是在多個(gè)脈沖周期內(nèi)，用φ-OTDR系統(tǒng)探測(cè)到的后向瑞利散射光的振幅e(t)來(lái)表達(dá)[17]:

(1)

式中，e(t)為散射光的振幅;t表示脈沖光在光纖中的傳感時(shí)間;f為脈沖光頻率;W為寬度;α為光纖損耗，Ai(i=1，2，3…)為入射光在第i個(gè)散射中心產(chǎn)生的脈沖光的振幅大??；τi為散射的時(shí)間延長(zhǎng)；N表示傳感光纖中散射點(diǎn)的總數(shù);c是光在真空中的速度;nf表示折射率。當(dāng)[(t-τi)/W]≤1時(shí)，矩形函數(shù)rect[(t-τi)/W]=1；在其它條件下，矩形函數(shù)為0。當(dāng)光纖受到外界振動(dòng)干擾時(shí)，瑞利散射的背向光可分為兩部分:其中一部分為光纖首端和擾動(dòng)點(diǎn)之前的散射點(diǎn)，沒(méi)有被擾動(dòng)點(diǎn)干擾，光相位不變化；另一部分來(lái)自光纖末端與擾動(dòng)點(diǎn)之間的散射點(diǎn)，受擾動(dòng)點(diǎn)的影響，光相位發(fā)生變化。兩部分散射光的表達(dá)式分別為[18]：

Ea=Aaexp(iφa)=

(2)

Eb=Abexp[iφb+φ(t)]=

(3)

式中，Ea和Aa分別為擾動(dòng)前的散射光強(qiáng)和幅度值，Eb和Ab分別為擾動(dòng)后的散射光強(qiáng)和幅度值，E0為首端探測(cè)脈沖光幅值，φa和φb分別是在擾動(dòng)前某一點(diǎn)的散射光相位和擾動(dòng)后某一散射點(diǎn)相位，zk為光纖中第k個(gè)散射點(diǎn)距離光纖首端的距離，第p個(gè)散射點(diǎn)為擾動(dòng)發(fā)生位置，rk和φk分別為第k個(gè)散射點(diǎn)的散射系數(shù)和散射光相位，φ(t)為擾動(dòng)引起的光相位變化。

總背向瑞利散射光強(qiáng)E(t)為:

E(t)=Ea+Eb=Aaexp(iφa)+

Abexp[iφb+iφ(t)]

(4)

總功率P(t)為：

P(t)=Aa2+Ab2+

2AaAbcos[φ(t)+φa-φb]

(5)

擾動(dòng)發(fā)生時(shí)會(huì)引起瑞利散射跡線(xiàn)的變化，通過(guò)擾動(dòng)前后瑞利散射跡線(xiàn)的差分計(jì)算，可獲得擾動(dòng)點(diǎn)的位置。

本實(shí)驗(yàn)中提出了一種新穎的φ-OTDR結(jié)構(gòu)，如圖1所示。分布反饋式激光器(distributed feedback laser，DFB)是窄線(xiàn)寬激光器，其線(xiàn)寬為3kHz，波長(zhǎng)1550nm；AOM是聲光調(diào)制器，調(diào)制帶寬100MHz，上升沿為30ns；EDFA是Er3+的光纖放大器，放大增益為25dB，光衰減器(optical attenuator，OA)調(diào)節(jié)輸出脈沖功率；光濾波器(optical filter,OF)是采用0.8mm信道間隔的波分復(fù)用濾波器；光環(huán)行器(optical circulator，OC)為多模光環(huán)行器；傳感的光纖為多模光纖與單模光纖的復(fù)合，中間通過(guò)模式轉(zhuǎn)換器(mode converter，MC)連接;光纖的尾端加上光隔離器(optical isolator，OI),從環(huán)行器3號(hào)端口輸出的多模信號(hào)再經(jīng)過(guò)模式轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)為單模信號(hào)。返回的單模瑞利散射信號(hào)由光電探測(cè)器(photoelectric detection，PD)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)采集卡(data acquisition card，DAQ)采集頻率為20MHz；在工控機(jī)(industrical personal computer，IPC)上處理數(shù)據(jù)。圖中，MMF(multi-mode fiber)為多模光纖,SMF(single-mode fiber)為單模光纖。

Fig.1 Composite optical fiber structure diagram of φ-OTDR

如系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖所示，探測(cè)距離為5km的多模光纖與25km的單模光纖，中間使用模式轉(zhuǎn)換器連接，與傳統(tǒng)僅使用單模光纖為傳感介質(zhì)的φ-OTDR系統(tǒng)相比，本實(shí)驗(yàn)中結(jié)構(gòu)可以使用更高的探測(cè)脈沖功率，而不會(huì)產(chǎn)生不敏感區(qū)域，可以完成30km左右范圍內(nèi)的監(jiān)測(cè)。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)程序

本實(shí)驗(yàn)中在工控機(jī)中的LabVIEW中處理從采集卡中獲取的數(shù)據(jù)，為了匹配傳感系統(tǒng)的參量，在LabVIEW中設(shè)置了采集長(zhǎng)度、平均累加次數(shù)、內(nèi)觸發(fā)寬度、內(nèi)觸發(fā)周期、觸發(fā)方式等控件。在軟件的輸出控件設(shè)計(jì)了兩個(gè)顯示控件:一個(gè)用來(lái)分析時(shí)域內(nèi)實(shí)時(shí)的功率隨時(shí)間的變化情況;另一個(gè)顯示控件基于兩次差值來(lái)顯示振動(dòng)位置信息，將擾動(dòng)前后背向瑞利散射的跡線(xiàn)進(jìn)行差值計(jì)算以確定擾動(dòng)的位置信息。實(shí)時(shí)采集圖與兩次差值圖的采樣率為20MHz,相當(dāng)于每5m采一個(gè)點(diǎn)，采樣總點(diǎn)數(shù)設(shè)為6000，相當(dāng)于30km的傳感光纖長(zhǎng)度，選擇外觸發(fā)方式，以平均累加32次用于數(shù)據(jù)處理，可以有效減少外界噪聲，提高信噪比。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，用手指輕輕撥動(dòng)光纖來(lái)獲取擾動(dòng)的振動(dòng)信號(hào)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

首先對(duì)傳統(tǒng)的單模光纖進(jìn)行檢測(cè)，使用一盤(pán)10km，一盤(pán)20km的單模光纖連接成30km的傳感距離。由于探測(cè)距離越長(zhǎng)，檢測(cè)到的功率呈指數(shù)形式衰減。且在高功率脈沖下，前端出現(xiàn)一段不敏感的區(qū)域。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

Fig.2 Relationship between typical time-domain values and output power

背向瑞利散射隨著傳輸距離的不斷增加，功率就越來(lái)越小，探測(cè)的靈敏度逐漸地減弱。正常情況下，有效探測(cè)距離不超過(guò)20km。因此傳統(tǒng)的φ-OTDR的最大探測(cè)距離只有20km左右。如果增大探測(cè)脈沖的峰值功率，可以增加探測(cè)距離，但是會(huì)產(chǎn)生調(diào)制不穩(wěn)定現(xiàn)象，造成傳感系統(tǒng)的非線(xiàn)性效應(yīng)，影響測(cè)量精度。如果探測(cè)功率進(jìn)一步提高，可能會(huì)產(chǎn)生受激布里淵效應(yīng)。這些因素將嚴(yán)重影響傳感系統(tǒng)的靈敏度與信噪比。

在同樣的功率脈沖下，使用多模光纖混合單模光纖的新型結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)，將5km的多模光纖與25km的單模光纖作為傳感介質(zhì)，探測(cè)距離的前端沒(méi)有不敏感的區(qū)域。新型結(jié)構(gòu)的復(fù)合光纖輸出波形如圖3所示。

Fig.3 Relationship between time-domain value and output power under composite fiber

使用5km的多模光纖與25km的單模光纖相結(jié)合作為傳感介質(zhì)。探測(cè)脈沖經(jīng)過(guò)多模光纖再流向單模光纖。由于多模有更高的非線(xiàn)性閾值水平，可以使用更高能量的探測(cè)脈沖，從而產(chǎn)生更強(qiáng)的反向散射信號(hào)，有效增加了探測(cè)距離，并且不會(huì)降低信噪比。在LabVIEW上對(duì)擾動(dòng)前后信號(hào)進(jìn)行差值運(yùn)算，得出振動(dòng)信號(hào)曲線(xiàn)，如圖4與圖5所示,分別為低功率探測(cè)脈沖與高功率探測(cè)脈沖下振動(dòng)信號(hào)。

Fig.4 Effective range of detection in multi mode-single mode under low power pulse

Fig.5 Effective range of detection in multi mod-single mode fiber under high power pulse

圖4和圖5中分別顯示了在低功率和高功率下，輕輕撥動(dòng)單模光纖的中間一段，擾動(dòng)信號(hào)在光纖中響應(yīng)。圖4中振動(dòng)信號(hào)的響應(yīng)十分微弱，信噪比較低，已不能準(zhǔn)確辨識(shí)振動(dòng)信號(hào)，說(shuō)明光纖傳感在功率為120mW的低功率探測(cè)脈沖下探測(cè)距離為20km左右已經(jīng)不太敏感了。圖5中振動(dòng)信號(hào)的響應(yīng)十分明顯，信噪比較高，可以明顯辨識(shí)振動(dòng)信號(hào)，說(shuō)明光纖傳感在功率為240mW的高功率探測(cè)脈沖下探測(cè)距離已經(jīng)達(dá)到了30km。同時(shí)從圖4和圖5中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,光纖傳感的前端有較高噪聲，這是由于多模光纖模式之間存在串?dāng)_，模式之間的轉(zhuǎn)換也會(huì)有一定信號(hào)轉(zhuǎn)換噪聲。

輕輕撥動(dòng)多模光纖，振動(dòng)響應(yīng)非常明顯，靈敏度較高。無(wú)論是在低功率脈沖還是在高功率脈沖下，多模光纖的振動(dòng)曲線(xiàn)都表現(xiàn)出明顯的變化，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖6所示。

Fig.6 Vibration response of multi-mode fiber in the sensing system

3 分析與討論

在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)多模光纖明顯比單模光纖的振動(dòng)響應(yīng)明顯，盡管多模光纖與單模光纖具有相同的材料特性，但是多模光纖卻比單模光纖高出近一個(gè)數(shù)量級(jí)的捕獲效率。通過(guò)研究多模光纖的捕獲率和模式耦合，進(jìn)一步探索多模光纖的特性。在多模光纖中，以基本模式傳播的入射光和由固定模式(ν,μ)捕獲的散射光的功率分?jǐn)?shù)由下式[19]給出：

(6)

式中,ρ為徑向變量，μ和ν分別表示徑向與方位角，V是歸一化的頻率，Δ=(n02-n12)/(2n02),其中n0和n1分別是纖芯與包層的折射率，F(xiàn)0,0(ρ)表示基本模式，F(xiàn)ν,μ(ρ)表示徑向和方位角分布(ν,μ)的固定模式。在這個(gè)表達(dá)式中引入qν以區(qū)分徑向模式和方位模式：

(7)

當(dāng)ν≠0時(shí)，qν獲值為1，它對(duì)應(yīng)于方位角模式；當(dāng)ν=0時(shí)，qν獲值為2，它對(duì)應(yīng)于徑向模式。將信號(hào)發(fā)射到多模光纖的基本模式，則散射光纖會(huì)耦合到光纖中的所有允許的模式。目前已經(jīng)確定高階模式有良好的瑞利背向散射光，并且每個(gè)模式中的散射光獨(dú)立傳播且沒(méi)有明顯的交叉耦合。所以與單模光纖傳感的背向散射光相比，多模光纖傳感的背向散射光更強(qiáng)，振動(dòng)響應(yīng)也就更明顯。另外，多模光纖有解決信號(hào)衰落的可能。在多模光纖傳感過(guò)程中有多種模式，有一種模式的瑞利背向散射光衰落，但仍然有許多其它模式可以完成執(zhí)行測(cè)量任務(wù)。

基于單模光纖的喇曼分布式溫度測(cè)量的喇曼效應(yīng)不明顯，而使用多模光纖與喇曼結(jié)合用于分布式溫度測(cè)量可以表現(xiàn)出良好的靈敏度。光纖喇曼分布式溫度傳感系統(tǒng)依靠接收光纖的斯托克斯與反斯托克斯喇曼背向散射光，但是喇曼信號(hào)一般比較弱(比輸入抽運(yùn)功率弱60dB～70dB)。為了喇曼溫度測(cè)量系統(tǒng)有良好的信噪比，就需要傳感光纖獲取更高的發(fā)射功率，而多模光纖恰好有較高的非線(xiàn)性閾值與較大的有效面積接收入射功率。多模光纖支持較高的入射抽運(yùn)功率，而不會(huì)改變感測(cè)系統(tǒng)的性能，所以,喇曼分布式溫度測(cè)量使用多模光纖作為傳感介質(zhì)是合適的。

由于多模光纖比單模光纖的成本低，在短距離的光纖傳感系統(tǒng)中，多模光纖更常用。全世界已經(jīng)有數(shù)千個(gè)油井中安裝的多模光纖，并用于各種情況的監(jiān)測(cè)，例如振動(dòng)檢測(cè)、溫度測(cè)量、應(yīng)力監(jiān)測(cè)等等。多模光纖有多種模式，為實(shí)現(xiàn)多種信號(hào)同時(shí)感測(cè)提供了可能，如果實(shí)現(xiàn)安裝一套傳感系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)多種參量信息，則將具有更好的成本效益。后面將進(jìn)一步研究基于復(fù)合光纖實(shí)現(xiàn)分布式溫度與振動(dòng)同時(shí)測(cè)量。

4 結(jié) 論

提出了利用復(fù)合光纖φ-OTDR系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)探測(cè)距離的遠(yuǎn)程敏感，理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果研究表明，該系統(tǒng)解決了由高功率脈沖造成的傳感系統(tǒng)的前端區(qū)域振動(dòng)不敏感和傳感系統(tǒng)的調(diào)制不穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了傳感光纖對(duì)全程范圍內(nèi)的振動(dòng)信號(hào)有良好的響應(yīng)靈敏度。與在不同功率下需要使用開(kāi)關(guān)切換兩段光纖實(shí)現(xiàn)分段測(cè)量相比，本文中的傳感系統(tǒng)不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且非常方便地實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程測(cè)量。接下來(lái)將對(duì)已獲得的振動(dòng)信號(hào)采用濾波去噪等算法，進(jìn)一步提高系統(tǒng)信噪比與系統(tǒng)的可靠性。