Page 43 - 网络电信2018年3月刊下

解 决 方 案

图 3 ROTDR 典型系统结构 线性关系的特性，根据二元一次方程组计算温度和应变，但这
种方法中散射光功率的低信噪比大幅度降低了精度 [11] 。
因此，如何更有效地解决温度和应变的交叉敏感问题，是
BOTDR/BOTDA 技术推广应用的关键。
4.2 系统结构
以技术较为先进的 BOTDA 光纤分布式传感技术为例，通过
海缆内置式单模光纤实现，探测距离可达 120km。海缆中光单
元的应变值与海缆的应变值满足线性关系，且小于海缆应变值，
可以利用光单元的应变推算海缆的应变。图 4 显示了 BOTDA 的
典型系统结构，激光器 1 产生的光信号被电光（强度）调制器
调制成光脉冲经环形器注入被测光纤的一端以用作泵浦光，激
四、海缆应变监测 光器 2 产生某频率的连续光注入被测光纤的另一端，用作探测
船锚缓慢、大幅度拖拽以及海底特殊地形地貌常造成海缆 光。当探测光和泵浦光的频率差落在光纤某处 Brillouin 区，
局部受力异常。对海缆上的静态应变分布状况进行监测可以对 将产生受激 Brillouin 散射效应，将泵浦光的功率转移给探测
可能发生的故障进行预警及定位。 光，从而获得该频点的 Brillouin 散射曲线。使用激光器 2 连
4.1 监测原理 续扫频，通过测量返回的宽频带的布里（谱上的离散频率点对
光纤中的后向 Brillouin（布里渊）散射是由入射光与光 应的光时域反射曲线，得到关于布里（频率、功率和散射位置
纤自身的声子相互作用产生的，Brillouin 散射光的频移量 Δ 信息的三维曲线 [12-13] 。通过与初始数据作对比得到光纤中各个
fB 与应变和温度呈线性关系： 散射位置的布里（频移量，从而根据应变与布里（频移的线性
Δ f B =C T ΔT+C ε Δε ，（3） 关系得出散射位置的应变分布。
式中：ΔT 为光纤的温度变化量；Δε 为光纤的应变量；
图 4 BOTDA 典型系统结构
C T 与 ΔT 分别为 Brillouin 频移的温度系数与应变系数。
吕安强等人对复合光纤的 Brillouin 频移应变 / 温度系数
进行了标定实验，表明不同光纤的频移应变 / 温度系数基本相
[8]
同，约为 1.05 MHz/℃及 0.05 MHz/με 。
基于后向 Brillouin 散射的光纤分布式传感技术根据其实
现原理不同分为 BOTDR（Brillouin 光时域反射仪）和 BOTDA
（Brillouin 光 时 域 分 析 仪）。BOTDR 利 用 的 是 光 纤 的 自 发
Brillouin 散射原理，系统从一端输入泵浦脉冲，在同一端检测
返回信号的散射光频率，使用方便，但散射光功率较小，限制
五、海缆综合状态监测系统
了测量距离和精度；BOTDA 利用的是受激 Brillouin 散射原理，
总体来说，以上每种光纤传感技术的特点不同，适用于不
处于光纤两端的可调谐激光器分别将一脉冲光（泵浦光）与一
同的监测对象，如表 1 所示。其中，Φ-OTDR 主要用于长距离分
连续光（探测光）注入传感光纤，散射光拥有更高的强度，显
布式振动监测，精度高，成本较高；ROTDR 主要用于分布式温度
著提高了信噪比，从而使探测距离和精度大幅度提高。
监测，技术成熟，成本适中，测量距离相对较短；BOTDR/BOTDA
基于 Brillouin 散射的 BOTDR/BOTDA 技术同样可以用来进
主要用于长距离分布式温度、应变监测，精度和空间分辨率较高，
行分布式测温，相比于 ROTDR 技术监测范围更广，但精度略有
但系统复杂，成本较高。
不足 [9] 。为及时发现并判别光电复合海缆的故障，国内陈永等
目前，浙江舟山、福建平潭、广东南澳等地的海缆工程均
人采用 BOTDA 技术对海缆接地、锚害、局部放电等不同类型故
建立了海缆综合状态监测系统，集海缆扰动监测、海缆应变监测、
障下引发的海缆光纤温度、应变信号变化进行仿真和计算，推
导出光纤传感信息与海缆故障类型的关系，可为海缆的故障检
表 1 不同光纤传感技术的性能特点对比
测与诊断提供参考 [10] 。
为解决 Brillouin 频移影响因素中温度和应变的交叉敏感
问题，目前的解决方案及存在的不足主要有：
（1）采用松套光纤和紧套光纤相结合的方式，用松套光纤
测温，然后剔除紧套光纤上温度的影响以获得应变数据，但这
种方法需要提前设计传感光纤结构。
（2）采用第三方技术（如 Raman 散射技术）测量温度，并
分离 Brillouin 散射中温度的影响以获得应变数据，但这种方
法增加了额外的设备成本。
（3）利用 Brillouin 散射的频移 / 功率对温度 / 应变都呈

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