Page 37 - 网络电信2019年4月刊下

基于Φ-OTDR的光纤传感技术原理及其应用

现状

张智娟，郭文翰，徐志钮，赵丽娟
华北电力大学电气与电子工程学院 河北保定 071003

摘要：相位敏感光时域反射技术（Φ-OTDR）
由于其出色的综合性能而成为目前主流的分布式
光纤振动监测方法之一。文章在介绍背向瑞利
散射的基础上详细分析了Φ-OTDR系统的传感机
理，并对Φ-OTDR系统的空间分辨率、动态范围
和灵敏度等关键性能指标及其影响因素和提高方
法进行了系统分析，为Φ-OTDR系统实际应用时
参数的选择和性能优化提供参考。在此基础上，
针对现阶段Φ-OTDR技术在海底电缆、周界防护
等领域的应用进行了综述，指出了Φ-OTDR技术
存在的一些不足，并对其发展前景进行了总结与
展望。
关键词：分布式光纤传感；Φ-OTDR；背向瑞
利散射；振动测量

引言 等人利用全光型Er+光纤放大器结合F-P干涉仪实现了线宽小于
分布式光纤传感技术（Distributed optical Fiber 3kHz的激光发射，再经过电光调制器（Eom）进行脉冲调制后用
Sensing，DOFS）以光纤作为传感元件与传输介质，通过获得 于Φ-OTDR系统中取得了良好的干涉效果。2005年，Juarez等人
被测光纤上物理量的变化从而实现传感。自20世纪70年代该 基于Φ-OTDR技术以超窄带宽和低频移激光器作为光源，在12km
技术被提出以来，由于其具有全尺度连续性、网络智能化、 的传感光纤上实现了振动传感，系统的空间分辨率为100m。
长距离、大容量、低成本及可以实现嵌入式无损检测等特 2009年，饶云江等人将Φ-OTDR技术和P-OTDR技术相结合，实现
点，已被广泛应用于土木工程、通信与电力工业等领域中。 了传感距离为14km、定位精度为50m的微扰传感，而后该团队将
随后在1976年，Barnoski等人提出了光时域反射（Optical 双向拉曼运放与超远距离Φ-OTDR系统相结合，通过拉曼放大器
Time Domain Reflectometer, OTDR）技术，该技术是分布 的放大抵消了光纤自身损耗带来的散射光功率损失，实现了超
式光纤传感技术的基础。具体而言，基于OTDR结构的分布式 远距离Φ-OTDR系统，该系统具有74km的传感距离和20m的空间
光纤技术包括布里渊光时域反射（Brillouin Optical Time 分辨率。2013年，安阳等人提出了一种基于双光束干涉的分布
Domain Reflectometry, BOTDR）技术、相干光时域反射 式光纤振动传感器，在传感光纤长度为5km的基础上，系统的空
（Coherent Optical Time Domain Reflectometry, COTDR） 间分辨率和信噪比分别达到20m和8.5dB，随着对Φ-OTDR技术研
技术、偏振光时域反射（Polarization Optical Time Domain 究的深入，人们发现它能有效解决基于光纤分布式传感的振动
Reflectometry，POTDR）技术等，这些技术的提出使得光纤传 监测问题。
感技术蓬勃发展。 本文从对背向瑞利散射的机理分析出发，介绍了Φ-OTDR系
以上技术主要侧重于温度和应变的传感，而在科学与工 统的原理、性能参数及其影响因素和提高方法；然后对现阶段
程应用中振动也是一个重要参量。为了检测振动，1993年， Φ-OTDR技术在海底电缆监测、周界防护等方面的应用进行了系
Taylor等人提出相位敏感的光时域反射（Φ-OTDR）传感技术， 统综述；最后对Φ-OTDR技术的发展进行了展望。
它不仅能检测光纤损耗和定位断点，而且能感知微弱的扰动，
与传统的OTDR技术相比，其最大的不同就是Φ-OTDR系统注入光 一、基于-OTDR的振动测量技术
纤中的光是高度相干的，并且需要光源（激光器）有极小的线 1、背向瑞利散射
宽和极小的频率漂移。1994年，Juskatis等人提出利用Φ-OTDR 光散射是光信号在不均匀介质中传输时偏离原传播方向而
技术进行入侵（振动）检测。随着光放大技术和光纤激光器的 向空间各个方向散射的现象。光与介质相互作用时，比如光在
发展，掺铒光纤放大器（EDFA）的使用日益增加。2003年Choi 光纤中传播时会产生布里渊散射、拉曼散射和瑞利散射。

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