Optics Express：基于时分复用的长距离灵活频响OTDR

Optics Express：基于时分复用的长距离灵活频响OTDR
原创 光纤传感Focus 光纤传感Focus 2021-12-17 12:00 发表于北京 听全文
撰稿 | 山东大学 激光与红外系统集成技术教育部重点实验室 光纤传感技术研究团队

01   导读

相敏光时域反射计(φ-OTDR)是一种功能强大的基于检测传感光纤中后向瑞利散射光信号的全分布式光纤传感器(DOFS)。得益于其长传感长度和高密度分布式传感器阵列，φ-OTDR可应用于周界入侵检测、管道结构健康监测以及通信或电力电缆监控。在φ-OTDR的大多数应用中，传感距离和振动频率响应带宽是决定传感系统实际性能的两个关键技术参数，因为在许多长距离系统中，如管道或电力电缆，长度在几十公里的数量级，高频振动事件频繁发生。因此，基于φ-OTDR的分布式传感网络非常需要在长传感范围内实现高频响应的能力。

基于上述要求，山东大学教育部激光与红外系统集成技术重点实验室光纤传感技术研究团队提出了一种基于时分复用的长距离灵活频响相位敏感光时域反射计(φ-OTDR)。长距离的分布式灵活频率振动感测可以通过以时分复用方式重新配置系统布局来实现，即通过重新路由瑞利后向散射信号以进行分段处理，仅添加额外的掺铒光纤放大器来代替任何其他复杂的信号放大或脉冲调制机制。通过时分复用重构，大大缓解了φ-OTDR系统中传感距离和振动频率响应之间的权衡。与传统的系统布局相比，所提出的系统允许每个传感光纤段之间没有任何串扰且具有灵活的频率响应。在实验中，所提出的系统在60km的感测距离上实现了频率响应高达4.5kHz的分布式振动感测。此外，通过成功识别52km长光纤末端频率高达20kHz的振动事件，进一步验证了所提出系统的频率响应灵活性。研究成果以“Long-distance OTDR with a Flexible Frequency Response based on Time Division Multiplexing”为题在Optics Express上发表，山东大学教育部激光与红外系统集成技术重点实验室硕士研究生李帅为第一作者，徐演平教授为通讯作者。

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封面图  时分复用原理示意图

图源: Optics Express (2021)

https://doi.org/10.1364/OE.435883 (Fig.1)

02  研究背景

传统φ-OTDR的传感距离也受到探测脉冲峰值功率的限制：因为低峰值功率不能保证长传输长度，而高峰值功率容易在光纤中引起不希望的非线性效应，例如调制不稳定性。在过去的几年里，已经开展了许多工作来提高φ-OTDR系统的最大可测量距离。但是基本上都需要复杂的脉冲调制方法或者添加额外的放大模块（拉曼放大、布里渊放大）。为了解决长距离传感及传感过程中传感距离与频率响应之间的权衡，山东大学教育部激光与红外系统集成技术重点实验室光纤传感技术研究团队提出了一种基于时分复用的长距离灵活频响φ-OTDR。通过对瑞利后向散射信号进行重新路由以进行分段处理，对传感系统进行适当的时分复用重新配置，可以实现长距离的高频响应，而无需任何其他复杂的脉冲调制或放大附加元件。此外，在不同的应用环境中，可以针对单段光纤灵活调整频率响应。与传统的系统布局相比，所提出的系统允许在每个传感光纤段中设置灵活的传感测量参数。

03   创新研究
3.1 时分复用技术
为了突破φ-OTDR系统中最大传感距离和可检测振动频率之间的折衷，实现长传感距离的高频振动检测，将整个传感光纤分为几段，长度标记为x1, x2, x3, …, xn 。传感光纤段的数量和每段的长度可以根据实际需要灵活调整。通过在相邻的光纤段之间插入环形器，当探测脉冲通过整个光纤传输时，每个光纤段中产生的瑞利后向散射信号不再像传统φ-OTDR那样全部被引导回到传感光纤的最开始用于数据收集和采样，而是以时间顺序的方式被收集，即每个光纤段中的本地瑞利后向散射信号被引导到本地光纤段的相应输入端口。假设已知所有光纤段的长度，每个段中的瑞利后向散射信号可以时分复用的方式检测。因此，每个光纤段充当独立的分布式传感子系统，并且以段处理方式处理瑞利后向散射信号，这意味着探测脉冲重复率的最大值取决于本身单段长度。因此，可以在很远的距离上实现空间分辨率和其他性能参数不打折扣的无串扰高频响应，而不受其他子系统的限制。

图片 图1 时分复用原理示意图

图源: Optics Express (2021)

https://doi.org/10.1364/OE.435883 (Fig.1)

3.2 传感系统结构

使用1550nm的窄线宽半导体激光器。激光输出通过光隔离器，然后被调制成重复频率为10kHz、脉冲宽度为100ns的探测脉冲，根据奈奎斯特采样定理，这相当于理论上可检测到的频率响应高达5kHz，空间分辨率为10m。声光调制器用于将150MHz的频移引入探测脉冲频率。然后，探测脉冲功率由掺铒光纤放大器(EDFA)提升，然后通过第一环形器发射到被测光纤中。在实验中，整个传感光纤被分成六段，用环形器连接，每段长度为10km。此外，在第三光纤段后增加了另一个EDFA，用于脉冲再放大，以补偿光纤损耗。通过连接具有适当光纤延迟长度的所有环形器的输出端口，来自每个光纤段的瑞利后向散射信号被组装到相同的数据收集端口。在相邻环形器的输出端口之间增加延迟光纤来方便实际应用中将远光纤段内产生的所有瑞利信号引导到用户端进行数据采集和采样。为了避免信号采样过程中的信号混合，在每个环形器的输出端口增加了光开关用于开启/关闭每个光纤段中的局部瑞利后向散射信号。此外，在延迟光纤中插入由EDFA和1×2光开关组成的放大模块，对瑞利后向散射信号进行放大，保证信号有足够的功率到达探测器。光开关的开关时间和开关通道由上位机软件根据传感系统的时分复用配置确定的时间延迟来控制，以询问每个光纤段。瑞利后向散射信号最终由平衡光电探测器(BPD)探测，并用数据采集卡(DAQ)采样。为了验证振动可以在每个光纤段被精确地探测，在第一、第三和第六光纤段的末端放置了三个缠绕有5m光纤的压电陶瓷，分别对应于9.95km、29.95km和59.95km的传感距离。

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图2  传感器结构图

图源: Optics Express (2021)

https://doi.org/10.1364/OE.435883 (Fig.2)

3.3 实验结果

为了验证该技术对φ-OTDR系统长距离传感频率响应的有效性，本实验在考虑每段光纤长度为10km的情况下，将注入探针脉冲的重复频率设置为10kHz。因此，根据奈奎斯特采样定理，每段光纤理论上可测量的最大振动频率为5 kHz。考虑到各种环境和系统噪声，实际测得的最大振动频率小于5 kHz。在采用所提出的时分复用系统的测试中，三个压电陶瓷分别产生4.3 kHz、4.0 kHz和4.5 kHz三种不同频率的振动，并将其应用于缠绕光纤上进行多次振动事件检测。采集1000条连续的瑞利后向散射轨迹，利用移动平均和差分法提取振动位置信息。采用波阈值去噪方法提高瑞利信号的信噪比。提取的振动位置信息如图3所示，清晰地指出了三个能见度较高的振动事件的位置。

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图3 三个振动事件的定位图

图源: Optics Express (2021)

https://doi.org/10.1364/OE.435883 (fig.4)

通过快速傅里叶变换(FFT)将采集到的振动点的时域干扰信号转换为频域干扰信号，三种振动事件的恢复频率信息如图4所示。结果表明，检测频率明显位于4.3kHz、4.0kHz和4.5kHz，信噪比均在20dB以上，与三种压电陶瓷的振动频率吻合较好。这表明，使用该传感系统可以在60公里的传感距离内实现高达4.5kHz的频率响应，而传统的φ-OTDR系统则无法实现，因为在这种情况下，脉冲重复频率被严格限制在2kHz以下。换句话说，当采用时分复用配置时，φ-OTDR系统振动频率响应的带宽增加了约6倍。

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图4  三个振动事件恢复振动信息的频率图

图源: Optics Express (2021)

https://doi.org/10.1364/OE.435883 (Fig.4)

另一项概念验证实验证明了所提系统的频响灵活性。在测试中，将第6段替换为2km长的传感光纤，在该光纤段的末端放置压电陶瓷，对应的整体传感距离为51.8km。压电陶瓷的振动频率提高到20kHz。为了监测和定位该振动事件，将注入探针脉冲的重复频率提高到50kHz。由于探头脉冲的高重复率，两个相邻探头脉冲之间的时间间隔小于光波通过前五个光纤段的最大往返时间。它们的瑞利后向散射信号混合在一起，无法区分。但是通过控制光开关，只能接收到来自最后2公里长的传感光纤的瑞利后向散射信号进行检测。在延迟光纤中插入一个EDFA来放大瑞利后向散射信号，以确保信号有足够的功率到达检测器。连续采集后向瑞利散射轨迹1000条，总记录时间0.02s。采用移动平均差分法和波阈值去噪法对轨迹进行处理，得到如图5和图6所示的振动位置和频率信息。恢复的位置结果如图5所示，在51.8km处有一个能见度较高的峰值。对时域信号进行快速傅里叶变换后，在图6的频谱中，在20 kHz处出现了一个主峰，这与压电陶瓷的施加频率一致。结果表明，该系统具有灵活频率响应的优势，仅受局部光纤段长度的限制而不受其他光纤段的影响，为实际应用中构建灵活的分布式传感系统提供了丰富的选择。

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图5 20kHz振动事件的定位图

图源: Optics Express (2021)

https://doi.org/10.1364/OE.435883 (Fig.6)

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图6 20kHz振动事件的频域图

图源: Optics Express (2021)

https://doi.org/10.1364/OE.435883 (Fig.7)

04   应用与展望

本课题组提出并实验证明了一种基于时分复用技术的具有灵活频响的长距离相敏光时域反射仪。系统既不增加拉曼或布里渊放大等复杂放大机制，也不增加探头脉冲调制，实现远距离高频振动传感，大大降低了系统的复杂性和成本。采用时分复用数据处理方式，显著缓解了感知距离与振动频率响应之间的权衡。此外，还实现了各光纤段振动传感的独立查询。提出的φ-OTDR系统能够定位远距传感光纤的振动点，其高频响应超过了传统系统的极限。具体来说，在60km的传感范围内，10m空间分辨率下，频率高达4.5 kHz的分布式振动传感已经在概念验证实验中得到了证明。此外，通过在51.8 km处检测频率为20 kHz的振动事件，验证了该系统的频率响应灵活性。采用时分复用技术对φ-OTDR系统中的传感光纤进行分段，使每一段光纤组成一个独立的传感子系统，这对实际应用具有重要价值。任何现有技术都可以合并到任何部分中，以构建具有更好传感性能的φ-OTDR子系统。因此，该系统在具有灵活频率响应的长距离分布式振动传感中具有巨大的应用潜力。
05   作者简介（通讯作者）


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徐演平（通讯作者）教授/博士生导师

徐演平，山东大学光学高等研究中心教授、博士生导师，山东大学齐鲁青年学者。2011年本科毕业于吉林大学物理系，获得理学学士学位；同年赴加拿大渥太华大学物理系深造，分别于2013年和2017年获得理学硕士和理学博士学位。主要研究工作包括：光纤传感技术与应用（点式多参量光纤传感技术、长距离分布式光纤传感技术），光纤激光技术（窄线宽光纤激光器、多波长光纤激光器以及随机光纤激光器），混沌激光技术（混沌半导体激光器技术、随机数发生器技术），光纤通讯技术（非线性光学效应和系统优化）。主持和参与了国家自然科学基金青年科学基金项目、山东省自然科学基金面上项目，加拿大自然科学与工程研究委员会(NSERC)的Discovery Grant Program、Engage Grants、Research Tools and Instruments(RTI) Grants等国家和省部级项目。目前已经在Optics Letters、Optics Express、IEEE Internet of Things Journal、Sensors and Actuators B: Chemical、Applied Physics Letters、IEEE Journal of Lightwave Technology等主流光学和相关领域期刊及各种国际会议上发表论文50余篇，并获得多项中国发明专利和美国发明专利。长期担任Optics Express、Optics Letters、IEEE Journal of Lightwave Technology、IEEE Photonics Technology Letters、Applied Optics、Optics Communications、Optical Fiber Technology等业内主流期刊审稿人。

文章信息：

Shuai Li, Zengguang Qin, Zhaojun Liu, Wenchen Yang, Shuai Qu, Zequn Wang, and Yanping Xu, “Long-distance OTDR with a Flexible Frequency Response based on Time Division Multiplexing”, Optics Express, 29(21): 32833-32841.

论文地址：

https://doi.org/10.1364/OE.435883

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