浅谈光纤传感技术的应用 - 信息谷 - ICITU

　　在通信行业，随着光纤到户的大规模部署，光纤传送网络日益庞大。传统光纤传送网络是一个不可感知的网络，管理和传感是一个无法解决的技术难题。光纤传送网络是运营商的最大资产，而每天都会发生不可预知的人为破坏和地质运动带来的损坏，导致光缆和重要光节点的设施故障，运营商迫切需要一种解决光纤传送网络安全问题的智能控制系统。利用光纤本身的传感能力来解决光纤传送网络安全的智能控制，大大提升光纤传送网络安全性，将会带来巨大的经济效应。

　　应用于工程领域的光纤传感技术主要有基于光纤反射传感器的多点式传感系统、基于分布式瑞利散射光时域反射（OTDR）/喇曼光时域反射（ROTDR）、布里渊光时域反射（BOTDR）/布里渊光时域分析（BOTDA）的分布式光纤传感系统等。在一个安全控制工程中系统集成多种光纤传感技术，点面结合，获取被测对象的全面信息，从而提高控制的准确性。组网技术将网络技术应用于多点式和分布式光纤传感器系统，组成新型的光纤传感测量网络，与因特网、无线网结合起来，组成智能传感通信网络。

　　不同的控制对象对应不同的光纤传感技术。光纤反射传感器的多点式传感系统主要进行点式高精度控制，具有高速实时控制的性能，适用于光纤交接箱等无源光节点的控制。分布式光纤传感系统中探测光信号在待测光纤中会发生后向瑞利散射、拉曼散射以及布里渊散射，利用这三种后向反射光信号的频率不同，可以设计一套综合的系统方案来测量待测光纤的振动、温度和应变3个重要的物理量沿着待测光纤长度分布的信息，反射光信号的频率分布如图1所示。基于相干瑞利散射的相位敏感OTDR技术，可适用于光缆管线的振动的测量，精度高；基于拉曼散射的ROTDR技术主要用于分布式温度控制，适用于重要管线的渗漏情况、火灾情况的测量；基于布里渊散射的BOTDA技术分布式应变的测量，可用于管线的长期稳定性测量。

　　利用基于普通OTDR和反射式光纤传感器的多点式光纤传感系统，可以远程控制光缆交接箱、光分纤箱、井盖等光纤基础设施重要节点的安全和告警设施。光缆交接箱是一种为主干层光缆、配线层光缆提供光缆成端、跳接的交接设备，在光纤通信网络中起着重要作用。光分纤箱位于分支光纤上，经过第一级分光器（1:4）后光信号大大衰减，传感信号较难恢复。光缆交接箱和光分纤箱是户外设备，在布设与安装过程中需要考虑该设备在使用过程中会遇到的意外情况，如被人为破坏、被盗取设备等。多点式光纤传感系统能够使维护人员在机房内足不出户就了解光缆交接箱、光分纤箱的状态以及光缆振动状态告警，对于解决光纤到户工程中的实际问题具有重要的意义。

　　为了解决重要光节点有多个门的状态需要同时传感的问题，可以多个光纤传感器串联，一个分支同时控制多个门。这样能够满足传感器统一的要求，低成本，多个门的开关状态可以同时判定。

　　基于相干光时域反射计（COTDR接收和相位OTDR技术结合）的分布式光纤振动传感系统，通过感知光缆中的空余光纤耦合进的振动信号，对工程挖掘或路面塌陷等给光缆带来危险的行为可进行远程提前告警，同时解决了目前OTDR设备只能对光纤光缆故障进行距离标定，而无法进行故障的地理信息标定的技术难题。

　　传统光时域反射计（OTDR）由于光电传感器等元器件的限制，探测距离和探测精度方面均无法达到某些高端应用的要求。COTDR采用光外差式传感技术，利用相干传感，大幅度提高了传感能力。如图2所示，COTDR首先将来自光源的光波分成两路，一路作为探测光，经过光调制器后成为脉冲光，进入到待测光纤，另一路作为本地参考光。探测光在待测光纤中，由于瑞利散射以及菲涅耳反射，产生后向散射光。后向散射光与本地参考光混合后进入光电探测器，完成光电转换。这种相干传感技术，提高了系统的灵敏度，扩大了动态范围。

　　基于COTDR技术进行分布测量，通过辨别脉冲时延得到位置信息，空间分辨率由脉宽决定。振动信号从背向散射光中提取。采用独特算法对振动数据进行实时处理，完成测量、定位以及事件分类。采用光纤探测振动信号，顺着光纤可以“听到”沿线各个位置的声音和振动；无需其他信号传输系统，传感光纤本身传递信号；无需在被测区域提供电源。

　　基于拉曼散射的分布式光纤温度传感系统结构与基于瑞利散射的分布式光纤振动传感系统结构相似，如图3所示，只是接收光信号时通常采用波分复用器将反斯托克斯光（Anti_Stokes）和斯托克斯光（Stokes）分别滤出，滤出光再经过一个APD和放大器探测放大，最后通过信号处理到计算机中显示出来。

　　分布式光纤感温技术是近年来发展起来的一种实时、在线、多点的温度传感技术，可用于实时测量温度场。在分布式光纤温度传感系统中，光纤既是传感器又是信号传输通道，系统利用光纤所处空间温度场对光纤中的向后散射光信号进行调研，再经过信号调解、采集和处理将温度信息实时显示出来。在时间上，利用光纤中光波的传输速度和后向光回波的时间差，结合OTDR技术对所测温度点进行准确定位。分布式光纤感温系统中的检测光纤不带电、抗射频和电磁干扰，防燃、防爆、抗腐蚀、耐高压和强电磁场、耐电离辐射，能在有害的环境中安全运行，在高温、高热等恶劣环境下具有特殊优势，近年来已广泛应用于煤矿的自燃火灾监测系统。

　　布里渊光时域分析仪（BOTDA）利用光纤介质的布里渊散射，系统组成如图4所示。由于介质分子内部存在的一定形式的振动，引起介质折射率随时间和空间周期性起伏，从而产生自发声波场。光定向入射到光纤介质时受到该声波场的作用，产生布里渊散射。在普通石英单模光纤中，布里渊散射光的频移与光纤的有效折射率和超声声速有关。而温度和应力都能改变光纤的折射率和超声声速，只要检测光纤中布里渊频移的变化，就可以得到温度或应力在光纤上的分布，如图5所示。一般来说测温采用基于Raman散射的分布式光纤温度传感系统，通常采用布里渊光时域分析仪（BOTDA）来做分布式光纤应变测量。

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　　基于光纤传感特性的增值功能将会不断涌现，最先将规模应用于光通信网络的光纤基础设施本身的智能化。此外，城市地下综合管廊、国家电网以及石油公司等企业用户也有对重要管线资源传感保护的强烈需求，光纤互联网+光纤传感网将逐步推广应用于智慧城市、石油管道、电力传输、家庭安防等其他行业。光纤已经不再局限于通信介质功能，其传感功能的规模商业开发将为光纤基础设施的升值提供一种新方向。未来光纤网络和光纤传感技术融合的商业价值具有巨大的想象空间。