復合光纖對φ-OTDR振動傳感遠程敏感

王振偉，孔 勇，丁 偉，吳 虎，李 歡

(上海工程技術大學 電子電氣工程學院 電子信息工程系，上海 201620)

引 言

相位敏感光時域反射儀(phase-sensitive optical time-domain reflectometer,φ-OTDR)技術與其它傳感技術相比，具有探測距離遠、靈敏度高、響應速度快等優點，因此被廣泛應用在周界安防、油氣管道監測、軌道交通檢測等眾多領域[1-2]。隨著φ-OTDR傳感技術的進一步發展，研究者對其感測距離、空間分辨率、信噪比、頻率響應范圍、識別入侵類型等方面進行深入研究[3]。同時，研究者還將瑞利背向散射、喇曼放大、雙波長、馬赫-曾德爾干涉儀(Mach-Zehnder interferometer,MZI)等技術相結合實現一些特定的功能。2014年,PENG教授等人提出喇曼放大與φ-OTDR系統結合，實現了128km傳感距離，其空間分辨率為15m[4]。2019年,WU等人通過相位噪聲補償技術，實現遠程分布式振動傳感[5]。研究人員在φ-OTDR系統配置保偏光纖，其空間分辨率可達1m[6]。MZI與φ-OTDR結合極大提高了對低頻信號的測量范圍[7]。LU等人于2010年提出使用移動平均和小波去噪探測φ-OTDR系統中大于1kHz的信號，定位精度小于5m[8]。使用窄帶寬激光器傳感系統的激光噪聲比較低，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種不同探測頻率的φ-OTDR傳感器抑制連續衰落引發的失真，抑制效果為11.5%[10]。2019年，南京大學的YUAN等人使用MZI補償φ-OTDR中的激光頻率，用于校正主信號的相位，6km的傳感光纖上可以測得頻率為0.1Hz的振動，空間分辨率為10m[11]。在識別干擾入侵方面，基于模式識別的φ-OTDR是該領域的新熱點，北京交通大學WANG等人使用隨機森林分類器識別出φ-OTDR系統中的外界干擾信號[12]，例如澆水、敲擊、攀爬、按壓等多種信號，平均識別率為95%。

目前，基于多模光纖為傳感介質的光纖傳感器也有著廣泛的應用空間，主要通過模間串擾產生相干，依據輸出散射的圖案，對擾動前后斑點圖案的變化進行應變測量和定位[13-14]。使用多模光纖為敏感元件的分布式聲學和溫度測量系統，以瑞利信號測量振動信息、喇曼測量溫度信號，實現了同時進行分布式聲學和溫度測量[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域詢問新技術[16]。與單模光纖相比多模光纖有更高的非線性閾值水平以及更強的散射捕獲率，射入高功率探測脈沖不會引起調制不穩定，但是多模光纖模式之間存在串擾，導致傳輸距離不遠。

本文中提出φ-OTDR傳感系統配置多模光纖與單模光纖相結合為傳感介質，前一段傳感介質為多模光纖，然后通過模式轉換器連接單模光纖。這種傳感結構既避免高功率探測脈沖直接流入單模光纖造成調制不穩定，避免了探測前端有一段不敏感區域，同時也避免了只使用多模光纖造成傳輸距離不遠。這種創新的傳感結構可以實現遠距離監測，且保證檢測距離遠程敏感。

1 φ-OTDR傳感原理與理論分析

基于φ-OTDR系統相干檢測的原理為瑞利相干散射的光時域反射技術。φ-OTDR的光源為窄線寬激光器，φ-OTDR的傳感系統與常規OTDR傳感系統相比有多種優勢，例如具有高靈敏度、長距離測量等等。在傳感系統中，窄線寬激光器發出連續的光波經過聲光調制器(acousto-optic modulator,AOM)調制成脈沖波，在通過摻鉺光纖放大器(Er-doped fiber amplifier,EDFA)放大，經衰減器適當調節后，具有高相干的光脈沖序列進入環行器流入傳感光纖作為光信號。探測器收到光信號將其轉換為電信號后，通過采集卡進行數據采集，最后在工控機上進行數據處理。

當一個脈沖周期內，光纖上無擾動時，后向相干瑞利散射光的響應模型為1-D脈沖，但是在多個脈沖周期內，用φ-OTDR系統探測到的后向瑞利散射光的振幅e(t)來表達[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個散射中心產生的脈沖光的振幅大小；τi為散射的時間延長；N表示傳感光纖中散射點的總數;c是光在真空中的速度;nf表示折射率。當[(t-τi)/W]≤1時，矩形函數rect[(t-τi)/W]=1；在其它條件下，矩形函數為0。當光纖受到外界振動干擾時，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點之前的散射點，沒有被擾動點干擾，光相位不變化；另一部分來自光纖末端與擾動點之間的散射點，受擾動點的影響，光相位發生變化。兩部分散射光的表達式分別為[18]：

Ea=Aaexp(iφa)=

(2)

Eb=Abexp[iφb+φ(t)]=

(3)

式中，Ea和Aa分別為擾動前的散射光強和幅度值，Eb和Ab分別為擾動后的散射光強和幅度值，E0為首端探測脈沖光幅值，φa和φb分別是在擾動前某一點的散射光相位和擾動后某一散射點相位，zk為光纖中第k個散射點距離光纖首端的距離，第p個散射點為擾動發生位置，rk和φk分別為第k個散射點的散射系數和散射光相位，φ(t)為擾動引起的光相位變化。

總背向瑞利散射光強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)

擾動發生時會引起瑞利散射跡線的變化，通過擾動前后瑞利散射跡線的差分計算，可獲得擾動點的位置。

本實驗中提出了一種新穎的φ-OTDR結構，如圖1所示。分布反饋式激光器(distributed feedback laser，DFB)是窄線寬激光器，其線寬為3kHz，波長1550nm；AOM是聲光調制器，調制帶寬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)調節輸出脈沖功率；光濾波器(optical filter,OF)是采用0.8mm信道間隔的波分復用濾波器；光環行器(optical circulator，OC)為多模光環行器；傳感的光纖為多模光纖與單模光纖的復合，中間通過模式轉換器(mode converter，MC)連接;光纖的尾端加上光隔離器(optical isolator，OI),從環行器3號端口輸出的多模信號再經過模式轉換器轉為單模信號。返回的單模瑞利散射信號由光電探測器(photoelectric detection，PD)進行光電轉換；數據采集卡(data acquisition card，DAQ)采集頻率為20MHz；在工控機(industrical personal computer，IPC)上處理數據。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

如系統結構圖所示，探測距離為5km的多模光纖與25km的單模光纖，中間使用模式轉換器連接，與傳統僅使用單模光纖為傳感介質的φ-OTDR系統相比，本實驗中結構可以使用更高的探測脈沖功率，而不會產生不敏感區域，可以完成30km左右范圍內的監測。

2 實 驗

2.1 實驗程序

本實驗中在工控機中的LabVIEW中處理從采集卡中獲取的數據，為了匹配傳感系統的參量，在LabVIEW中設置了采集長度、平均累加次數、內觸發寬度、內觸發周期、觸發方式等控件。在軟件的輸出控件設計了兩個顯示控件:一個用來分析時域內實時的功率隨時間的變化情況;另一個顯示控件基于兩次差值來顯示振動位置信息，將擾動前后背向瑞利散射的跡線進行差值計算以確定擾動的位置信息。實時采集圖與兩次差值圖的采樣率為20MHz,相當于每5m采一個點，采樣總點數設為6000，相當于30km的傳感光纖長度，選擇外觸發方式，以平均累加32次用于數據處理，可以有效減少外界噪聲，提高信噪比。在實驗過程中，用手指輕輕撥動光纖來獲取擾動的振動信號。

2.2 實驗結果

首先對傳統的單模光纖進行檢測，使用一盤10km，一盤20km的單模光纖連接成30km的傳感距離。由于探測距離越長，檢測到的功率呈指數形式衰減。且在高功率脈沖下，前端出現一段不敏感的區域。實驗結果如圖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，功率就越來越小，探測的靈敏度逐漸地減弱。正常情況下，有效探測距離不超過20km。因此傳統的φ-OTDR的最大探測距離只有20km左右。如果增大探測脈沖的峰值功率，可以增加探測距離，但是會產生調制不穩定現象，造成傳感系統的非線性效應，影響測量精度。如果探測功率進一步提高，可能會產生受激布里淵效應。這些因素將嚴重影響傳感系統的靈敏度與信噪比。

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構進行探測，將5km的多模光纖與25km的單模光纖作為傳感介質，探測距離的前端沒有不敏感的區域。新型結構的復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的單模光纖相結合作為傳感介質。探測脈沖經過多模光纖再流向單模光纖。由于多模有更高的非線性閾值水平，可以使用更高能量的探測脈沖，從而產生更強的反向散射信號，有效增加了探測距離，并且不會降低信噪比。在LabVIEW上對擾動前后信號進行差值運算，得出振動信號曲線，如圖4與圖5所示,分別為低功率探測脈沖與高功率探測脈沖下振動信號。

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，輕輕撥動單模光纖的中間一段，擾動信號在光纖中響應。圖4中振動信號的響應十分微弱，信噪比較低，已不能準確辨識振動信號，說明光纖傳感在功率為120mW的低功率探測脈沖下探測距離為20km左右已經不太敏感了。圖5中振動信號的響應十分明顯，信噪比較高，可以明顯辨識振動信號，說明光纖傳感在功率為240mW的高功率探測脈沖下探測距離已經達到了30km。同時從圖4和圖5中的實驗結果可以看出,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擾，模式之間的轉換也會有一定信號轉換噪聲。

輕輕撥動多模光纖，振動響應非常明顯，靈敏度較高。無論是在低功率脈沖還是在高功率脈沖下，多模光纖的振動曲線都表現出明顯的變化，實驗現象如圖6所示。

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

3 分析與討論

在實驗中發現多模光纖明顯比單模光纖的振動響應明顯，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數量級的捕獲效率。通過研究多模光纖的捕獲率和模式耦合，進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數由下式[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，F0,0(ρ)表示基本模式，Fν,μ(ρ)表示徑向和方位角分布(ν,μ)的固定模式。在這個表達式中引入qν以區分徑向模式和方位模式：

(7)

當ν≠0時，qν獲值為1，它對應于方位角模式；當ν=0時，qν獲值為2，它對應于徑向模式。將信號發射到多模光纖的基本模式，則散射光纖會耦合到光纖中的所有允許的模式。目前已經確定高階模式有良好的瑞利背向散射光，并且每個模式中的散射光獨立傳播且沒有明顯的交叉耦合。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，振動響應也就更明顯。另外，多模光纖有解決信號衰落的可能。在多模光纖傳感過程中有多種模式，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行測量任務。

基于單模光纖的喇曼分布式溫度測量的喇曼效應不明顯，而使用多模光纖與喇曼結合用于分布式溫度測量可以表現出良好的靈敏度。光纖喇曼分布式溫度傳感系統依靠接收光纖的斯托克斯與反斯托克斯喇曼背向散射光，但是喇曼信號一般比較弱(比輸入抽運功率弱60dB～70dB)。為了喇曼溫度測量系統有良好的信噪比，就需要傳感光纖獲取更高的發射功率，而多模光纖恰好有較高的非線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功率，而不會改變感測系統的性能，所以,喇曼分布式溫度測量使用多模光纖作為傳感介質是合適的。

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中，多模光纖更常用。全世界已經有數千個油井中安裝的多模光纖，并用于各種情況的監測，例如振動檢測、溫度測量、應力監測等等。多模光纖有多種模式，為實現多種信號同時感測提供了可能，如果實現安裝一套傳感系統可以監測多種參量信息，則將具有更好的成本效益。后面將進一步研究基于復合光纖實現分布式溫度與振動同時測量。

4 結 論

提出了利用復合光纖φ-OTDR系統,實現探測距離的遠程敏感，理論分析與實驗結果研究表明，該系統解決了由高功率脈沖造成的傳感系統的前端區域振動不敏感和傳感系統的調制不穩定，實現了傳感光纖對全程范圍內的振動信號有良好的響應靈敏度。與在不同功率下需要使用開關切換兩段光纖實現分段測量相比，本文中的傳感系統不僅結構簡單，而且非常方便地實現了遠程測量。接下來將對已獲得的振動信號采用濾波去噪等算法，進一步提高系統信噪比與系統的可靠性。