基于长距离分布式光纤传感技术分析

摘要：目前，人类社会正步入现代化信息时代，传感信息技术、通信技术和计算机三大类收集信息渠道都是信息时代发展的重要产物，支撑着信息产业的稳步前进。传感技术作为获取信息的关键工具，可以采集到多领域的数据信息，其中的光纤传感技术是该领域中发展趋势最为猛烈的高科技，它已经广泛应用于军事、电力、石油石化及交通建设等众多行业中。在这种前提条件下，分布式光纤传感技术更是整个光纤传感网络中的关键部分，由于其具有“海量”检测的特点，可以轻松实现大范围、远距离的测量和监控，具备其他传感技术无法比拟的显著优越性，成长前景非常有希望。基于此，重点介绍了静、动态两种长距离分布式光纤传感技术，即布里渊光时域分析仪（BOTDA）和相位敏感型光时域反射仪（Φ-OTDR），并详细介绍了该项技术在实际生活中的应用。

关键字：长距离;分布式;光纤传感

引言

光纤传感技术（DOFS）最开始是跟随光纤通信技术成长起来的，一般利用光波作为载体，读取外界环境变化的参数，以光纤为媒质并输入光信号，迅速收集到外界环境的变化数据，运用计算机信号处理算法恢复得出详细信息，使得人们可以高效率利用所得资料处理行业内的各种问题。从载体光波角度出发，它与电磁二者间不会相互干扰，而且极易被探测器与高科技装置快速匹配;从光纤工作频带角度出发，检测动态范围很大，具有低损耗、高传输的优良性能;从光纤本身角度出发，体积小、抗干扰、耐腐蚀等众多优点，在空间狭窄、易燃易爆炸及干扰极强的恶劣条件下越能发挥出优越性能[1]。因此，光纤这种新型传感技术一经问世就备受关注，成为该行业的技术先导。

光纤传感目前可以分为三大类型，包括点式传感、分布式传感和准分布式传感，其中分布式光纤传感与其他两种相比，具有传輸信息容量大、灵敏度和精准度高、传感参量多、安全性能好、使用寿命较长和性价比高等一系列优势，引起了学术界和工业界的广泛关注。而目前常见的分布式光纤传感技术又可以分为干涉型分布式光纤传感技术和散射型分布式光纤传感技术两种类型，布里渊光时域分析仪（BOTDA）和相位敏感型光时域反射仪（Φ-OTDR）是后者技术中最具前景的分布式光纤传感器技术，是国际上研究最活跃的热点课题。

一、布里渊光时域分析仪

布里渊光时域分析仪作为一种典型的DOFS，它集光纤、激光、光电探测和计算机技术等多个领域专业知识于一体，具有精确的温度变化、米量级的空间分辨率和超长的监测距离优点，在近三十年内迅速崛起，成为传感领域中最为重要的角色，拥有极大的发展潜力，并被广泛用于生物医学、家用电器和环境保护等行业大型设施的监测领域[2]。例如从居民小区的安保系统到地震海啸的监测，再到工程技术中各种磁场的空间状态及变化信息监测，都可以看到它的身影，效果显著。

BOTDA技术基于受激布里渊散射效应，其平移的距离大小与温度变化呈线性关系，所以利用该技术可以得到温度的动态变化，对结构是否健康进行有效监测。随着现代化科技的不断成熟，连续探测光的功率不再受其独有的非本地效应的影响，成功突破了5 dBm的受激布里渊散射阈值，进一步延长了其传感距离。此外，在一般情形下通过合理设定环形腔内随机光纤激光放大的布里渊时域，能够有效减少探测噪声;或者通过融合随机光纤激光二次抽运和低噪音激光二极管一阶抽运方案的优点，进而提高了整个系统的信噪比，十分利于该技术充分发挥自身作用，推动各行各业的健康发展。

二、相位敏感型光时域反射仪（Φ-OTDR）

传统的OTDR和POTDR虽然定位较精确、算法简单，但是要进行多次平均工作才能提高信噪比，相干性较差，这就导致出现系统散射信号的灵敏度和响应频率低的现象。上世纪 90 年代，美国的传感系统科学家首次提出用窄线激光器代替传统 OTDR 模式中的宽带光源，以此增强后向瑞利散射光间的干涉效应;不久后英国学者证实了该理论的可行性，Φ-OTDR 逐渐成为国内外研究热点。相关领域的科研人员通过引进各种最新技术，例如在线放大技术、分布式光伏放大技术，延伸了系统传感距离。近几年又有学者提出干涉仪和光混频器的提高应用，使传感距离可以达到十几公里的突破性进展。随着窄线激光器生产技术的进一步发展，将其用于Φ-OTDR系统中，极大加强了后向瑞利散射光的干涉信号。它是一种新型分布式光纤传感技术，脉冲光关联性强，通过环形器会注入到光纤中，当外界条件发生转换时，传感光纤的某一区域感受到相应变化，该位置的折射率导致后向瑞利散射光发生一定的偏移，最终通过干涉信号得以表达，而其具体位置是由输入的脉冲光与反馈回来的干涉信号间的延时差值所决定的。这种相位反射仪对探测范围内后向瑞利散射光干涉信号的相位进行了有效解调，故而信噪比不高[3]。

三、长距离分布式光纤传感技术的具体应用

（一）列车的定位与测速系统的应用

相位敏感型光时域分析仪由于可以进行长距离监测，实用性好，并且抗电磁的干扰，因此被很好地用于交通运输上，尤其是在列车的定位和测速系统中发挥效果更为显著。它可以屏蔽电磁干扰，让列车在雷电等恶劣天气下也能顺利进行调度安排，防止安全事故的发生;另外，通过测速运动的精准曲线，实时监测列车的行驶速度和位置，为高铁轨道的安全发展提供有力帮助。

（二）石油管道监测方面的应用

分布式传感技术由于其自身的先进可靠性能，针对石油管道可以完美实现超长距离的传感检测，有效进行输油管道的泄露探测、温度探测以及振动探测，可以自主监测管道各分区的温度数据是否超过报警阈值，极大程度上为石油运输管道的安全性提供保障;还可以屏蔽由于外部因素产生的振动干扰，保护总体管道的同时减少资源的损耗，从而提高企业的经济收益。

（三）供热管网中的应用

首先，长距离分布式光纤传感技术可以 24 小时在线监测供热系统，减少人员投入，也可以弥补人工巡查的缺漏，一旦发现泄漏情况或者管道温度异常情况时会自主发出警示，精准定位到异常区域;其次，现场有大型施工机械时，它会即刻识别检测出相关器具的作业振动频率信号，从而准确判断出现场施工的类型。最后，对于周边环境较为复杂的地方，人工巡查可能存在测量盲区，无法进行细致盘查，而利用该技术就可以远程操控，通过屏幕掌握这些区域的安全隐患、事故发生原因及解决方案，极大地提高了城镇供热管网工作效率。通过长距离分布式光纤传感技术，一定程度上保障了作业人员的人身安全，提升了巡检质量，使得供热工作有了更加全面的数据支撑，降低了未知的安全风险，这对提高供热管网整体工作的安全性能具有积极的指导意义[4]。

四、结束语

分布式光纤传感器作为一种传感媒质，可以广泛监测 70 多种环境参数，提取几十甚至上百公里测量场中的信息数据，实现大范围内多个参数的丰富测量，性价比非常高，符合智能网络化的发展走向，可以帮助民用及军用领域存在的众多难题，因此研究此技术对我国社会经济的稳步发展具有重要价值。虽然目前在该领域的研究已经收获颇丰，但目前实际的长距离分布式光纤传感技术水准仍然落后于国际形势，例如如何提高布里渊光时域分析仪的空间分辨率、传感技术参数的交叉影响、相关理论的完善优化及如何高效将技术结合到具体应用中去等问题都还未得到妥善地解决，这都是该技术今后新的研究方向。

参考文献

[1] 刘德华.超长距离分布式光纤传感技术及其工程应用[C].浙江大学，2015.

[2] 任艳.超长距离布里渊分布式光纤传感关键技术的研究[C].浙江大学，2014.

[3] 朱辉. Φ-OTDR分布式光纤扰动传感系统稳定性与环境适应性研究[D]. 东南大学，2019.

[4] 傅芸.光纤分布式应变传感新方法与新技术的研究[C].电子科技大学，2020.

作者简介：

方玄，1984，男，江苏江阴，工程师，硕士，研究方向：光纤传感。