长距离分布式光纤传感技术研究

黄兴旺

(上海傲世控制科技股份有限公司 上海 201801)

将长距离分布式光纤传感技术合理运用至轨道交通、石油电气、建筑工程、结构等领域，在正常操作下可以保障各个项目、各项仪器设备的安全稳定运行。为此，针对长距离分布式光纤传感技术的实际运用及其相关技术体系展开系统分析与探究，势在必行。

1 长距离分布式光纤传感技术优势及其重要性分析

对于分布式光纤传感技术而言，其核心竞争力具体表现在：准确度高、容错率高、定位精确、功能平稳，无需为光纤配备专门的传感器、信号接收器，便能顺利实现传感与信号传输，满足了超长距离、超长时间、大规模、大范围的组网、传感；并且可以在较短时间之内收集到数以万计的传感信息、传感数据与传感资源。凭借其在传感距离、传感时间、传感范围等多重优点，其在电路缆线的温度测控、轨道交通的安全运行、列车的精准测速与定位、各类建筑工程的结构裂变检测、石油的安全开采与运输、各类变压器的温度测量等领域中得到了极为广泛且深入的应用。为此，深入探析长距离分布式光纤传感技术的实际运用及其相关技术体系，已逐渐成为我国电信科技单位现阶段的重要研究方向之一[1]。

2 长距离BOTDA发展历程的简要概述

长距离BOTDA 是20 世纪90 年代末由Horiguchi、Tateda 等人提出，因其在信噪比、检测长度、测量精度等方面的先天优势，在光纤通信领域中的应用越来越广，现如今各国研究学者的高度重视长距离BOTDA的技术与应用研究。实际上，BOTDA距离的延伸长度和精度范围之间存在着制约关系，其根本原因在于：（1）光纤损耗使得信噪比下降；（2）非局域效应的产生。在这种背景下，长距离BOTDA 要想实现技术革新，必须在提升信噪比、克服非局域效方面继续努力、寻求突破。长距离BOTDA 早期主要集中于非归零码（NRZ）以及有效防止其中连“1”码而造成布里渊增益谱形变等方面的研究。直至2010 年由Soto 等人通过归零编码实现传感光纤测量精度与信噪比上的突破。随着时代的高速发展，光脉冲编码和分布式拉曼放大成为了提升信噪比的方法。总体来说，长距离BOTDA的研究步履不断向前，前途无限。

3 布里渊光时域（BOTDA）技术解析

以BOTDA 为技术支撑的分布式光纤传感技术架构具体表现在：基于BOTDA技术，在BOTDA传感系统中合理安设专门的电光调制器，进而更好地满足分布式温度的测量要求。实际上，无论是BOTDR、BOFDA，抑或是BOTDA，其基本的工作原理都离不开布里渊散射，BOTDA（Brillouin Optical Time Domain Analysis）技术是以受激布里渊散射原理作为基础，通过光纤内部的布里渊散射光的实际频率大小、具体频移量、光纤轴向应变的系统分析、准确判断、有效处理，进而实现传感。因为，存在于传感光纤的布里渊散射其实就是非线性散射效应的客观呈现。然而，在一般情况下，非线性散射与入射光间的频率并不完全保持一致[2]。所以，布里渊散射又名布里渊频移，其实际频移量的具体数值与应变、温度间在数学模型上具体表现为线性关系。针对长距离分布式光纤传感所产生的布里渊散射情况展开系统分析后，可以合理构建数学模型，最终计算出应力、温度的具体呈现状况与波动情况。BOTDA作为光纤传感领域核心技术来源之一，能够对待测区域与待测目标物体的空间分辨率（spatial resolution）、具体方位、时间距离等具体情况予以有效检测，极大地提升了监测过程中的科学性与合理性。就现阶段而言，我国各行各业的所需的机械设备装置监测环节也逐渐将BOTDA投入实际应用，用于监测设施结构的温度变化与健康安全状况，使机械设备装置结构监测准确度、监测效率得以显著提升，保障了大型设施设备的运行安全[3]。随着科技的不断发展，电信科技单位的科研团队针对各种分布式光纤传感技术进行了深度分析，使分布式光纤的传感距离得以进一步提升。此外，随着分布式光纤传感技术体系的不断充实与完善，分布式光纤的传感距离、传感范围将会持续增强。

3.1 以放大环形腔随机光纤激光为基础的长距离BOTDA

形腔光纤激光器（Ring Cavity Laser）因制作成本偏低、能耗比高、工作效率高、运行结构简易等特性而备受光纤传感领域的科研人士与研究学者的喜爱。通常来说，拉曼放大器（DRA）是以超长光纤激光器（ULFL）的抽运为基础，能够在一定程度上实现输入光信号的适当放大[4]。与此同时，分布式拉曼放大器（DRA）还可以采用环形腔，相较于线性腔，环形腔的优势在于：拥有的调控维度的选择权更多。合理运用环形腔，对系统予以科学分析、系统处理、合理设计，可以适当减弱抽运探测过程中所产生的噪声影响；在此基础上，对于顺利达成扩大系统末端高性噪比的面积与范围[5]。

3.2 将低噪声LD与随机光纤激光放大为基础的长距离BOTDA

一般情况之下，以独立随机光纤激光器（RFL）抽运为基础的前向分布式拉曼放大（DRA）技术在实际运行过程中不会产生过多噪声，能够顺利在长距离分布式传感环节得以有效运用并发挥其作用功效。其RFL产生激射现象的根本原理在于：随机分布瑞利散射以及拉曼放大效应。因为，RFL 的标准系数偏低；所以，将其投入实际应用并落实到具体的项目环节中极有可能出现很多缺陷与不足。为有效处理该问题，应该多方对比各种方式方法的优劣势，结合实际情况，有针对性地选取低噪声激光二极管一处抽运与RFL二阶抽运的混合DRA 方案，以期促进系统整体信噪比的有效提升。

4 相位敏感型光时域反射仪（Φ-OTDR）

长距离分布式光纤传感技术作为光纤传感技术系统的重要组成部分之一，具有强大的传输、传感功能,能够实现超长距离、超大范围的高密度的温度、应变、振动全分布式测量。其中，分布式光纤传感技术中的新生技术相位敏感型光时域分析仪（Φ-OTDR），很快凭借其技术优势迅速在光纤传感领域站稳脚跟，随着Φ-OTDR 应用的逐渐深入，使Φ-OTDR 在轨道交通、石油电气、结构等领域的振动测量中得以充分有效利用。尤其是在应用Φ-OTDR 攻克了瑞利散射的相位解调难题之后，不仅有效地解决了相位解调的技术瓶颈问题，而且对于Φ-OTDR 的应用延伸与拓展也发挥着重要作用[6]。在Φ-OTDR的拓展运用过程中，由ΦOTDR 相关技术衍生并发展起来的DAS，具备超远距离分布式测量声波的能力，极大程度地提高了声波测量的科学性与有效性。由此可见，Φ-OTDR 拥有着非常光明的发展前景。19 世纪80 年代末，Michael Barnoski 博士提出了OTDR（Optical Time Domain Reflectometer），较之于传统测量仪器，可以顺利完成全方位、长距离、全过程、不间断的分布式测量。传感光纤充分利用了光导纤维的传光特性，把待测物理量转化成能够直接测量的光特性，如相位、偏振态、波长……ΦOTDR 的具体工作原理在于：将特定光脉冲传输至光纤，在将光脉向光纤输入的时候，光脉冲会出现散射、反射现象。此过程中，部分散射光、反射光会通过同一方式回到输入端，会产生一定的延时效应。一段时间后会接收到反向散射脉冲回波，其中也包含了光纤介质之间因相互作用而形成的瑞利散射光，由输入光脉冲与脉冲回波间的时间间隔便能够对光纤散射点的具体方位做出初步判断。OTDR作为长距离分布式光纤传感器，其核心性能参数指标涵盖了动态范围、空间分辨率、采样率等在内的多个性能指标。现如今，光纤传感领域的科研人士与研究学者、研究人员正在努力探究Φ-OTDR，发现无论是以双向一阶拉曼还是以分区型混合放大为基础的Φ-OTDR 均能强化传感光纤的传感距离，增强传感光纤的传感距离，提升传感光纤的空间分辨率、敏锐性，从而进一步拓展Φ-OTDR 在各个行业、各个领域的深度应用。

5 关于长距离分布式光纤传感技术体系的实践运用探析

5.1 应用于石油管道、海底管道的安全检测

在针对石油管道、海底管道组织、开展安全监测的过程中，合理运用长距离分布式光纤传感技术，不仅可以在一定程度上减少来自第三方因素的影响与干扰，而且还可以对不同类型、不同深度的管道予以监测，从而更好地监测石油管道、海底管道的安全质量状况，对石油管道、海底管道存在的安全隐患予以及时有效的监管与控制[7]。众所周知，石油管道、海底管道分布范围广、布局面积大、管道距离长，这无疑是加大了石油管道、海底管道的安全监测难度。在长距离管道质量安全监测过程中，充分发挥分布式光纤传感技术功能稳定、抗干扰能力强、耐久性能佳等显著优势，不仅可以对石油管道安全监测中心动作予以系统检测，还可以防止因人类活动、机械施工或车辆运行等人为及外界因素带来的振动干扰。除此之外，将长距离分布式光纤传感技术运用于石油管道、海底管道的安全监测的过程中，可以适当接入增压站点的通信光缆，以实现长距离石油管道的系统监测与科学管控，极大程度地减少了原料产品的消耗，降低了经济损失，对于长距离石油管道、海底管道的质量安全检测、后续运维工作的顺利开展与稳定推进提供了技术支撑。

5.2 城市轨道交通领域

5.2.1 轨道列车运行监测

在现代化轨道交通事业的快速发展中，城市轨道交通工程项目建设规模在不断扩大，对技术体系、工程管理提出了更加严格的要求。现如今，我国轨道交通系统依旧沿用动车控制系统（CBTC）对轨道列车行驶过程中的行驶速率、运行方向与具体方位予以监测与控制，以此来保证轨道列车的运行安全与行车稳定[8]。从某种意义上讲，以通信为基础的动车控制系统通过及时获取轨道电路信息可以有效实现轨道列车精准定位和速度测量。然而，轨道交通动车轨道电路防雷举措在面临一些特殊气候环境的时候，比如暴雪、暴雨、雷雨、冰雹等恶劣天气条件，轨道电路极有可能出现控制失效、调度失败等情况，致使轨道动车在实际运行环节意外事故、安全情况的发生概率急剧增长。譬如说：2019年，柳州至武汉的G436高铁车厢上方电力引擎疑似遭到雷击，突发意外导致铁路列车紧急停车、停电；还有著名的“5.26京广高铁雷击事件”给轨道交通安全带来了极大的负面影响，阻碍了列车的正常行驶。将长距离分布式光纤传感技术体系应用于城市轨道交通系统，充分发挥高速动态振动测量的特性，为列车科学规划行车方向及运动曲线，以实现轨道列车精准定位和速度测量，通过Φ-OTDR 可以列实现对轨道列车长距离的有效准确监测，增强了列车的抗电磁干扰能力，可以有效降低轨道电路出现调度事故的概率，全面保障地铁运行的安全性，推动城市轨道交通事业的持续发展与快速进步[9]。

5.2.2 地铁隧道监测

一般情况下，地铁隧道建成、试运行结束后，就会马上投入实际运行，地铁在长期运行过程中，地铁隧道结构可能会产生系列安全问题如地基塌陷、地面不平、沉降不均等，尤其是在采用软土地基作为路面铺设的情况下，由于，软土地基的地表水量充足，吸收水、储存水能力强、含水量较高，且其耐剪程度不高。因此，软土地基在支撑性、抗逆性等方面的性能不强，容易让地铁隧道出现弯曲、变形、裂缝，急需为地铁隧道制订实时全程健康监测方案。长距离分布式光纤传感技术具有准确度高、容错率高、定位精确等多重优势，将长距离分布式光纤传感技术运用于地铁隧道监测，可以提升地铁隧道监测的科学性、准确性与合理性。在实际应用环节，首先，应该对长距离传感光纤的监测性能予以合理标定。在工程项目建设环节可采取如下布设方法具体如下：第一，紧套光缆并将之安设于混凝土垫层内；第二，使用铝塑管等材料加强对光缆的保护，随后将其安设于混凝土垫层内。其次，在工程实际施工环节应该结合施工要求选择光纤进行标定试验，由于施工环境较为复杂，直接布设光缆容易破损，应该先布设铝塑管，在此基础上，将光纤安设于铝塑管内。此外，还应将光缆安置在隧道结构表面，从而精确测量其相应性能。将长距离分布式光纤传感技术运用于地铁隧道监测可以为其提供全程应变监测，精准测量地铁隧道长距离、线性结构的应变状况，极大地提升地铁隧道监测的准确性与实效性，为有效预防事故灾难很有帮助。

6 结语

作为光纤传感领域的核心一环，在轨道交通、石油电气、建筑工程等领域充分利用长距离分布式光纤传感技术研究，把握其关键技术要点，除了便于定位分析、精准测量之外，还能有效应对、解决传感、传输、测量等系列问题，有助于为各行各业提供良好的决策性、洞察性帮助。放远未来，新时代背景下，我国应该加大分布式光纤传感技术体系的创新力度，完善管理机制，进而全面推动光纤传感领域的有效创新以及未来发展。