Page 39 - 网络电信2019年4月刊下
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图3 Φ－ＯＴＤＲ原理框图 由式（10）可知，影响空间分辨率的主要因素为探测脉冲
宽度。此外，其影响因素还有光电探测器响应时间以及采集卡
参数。可以通过适当增加探测脉冲宽度和使用恰当的信号处理
方法（振幅差分法、差分脉冲对技术或基于Sobel算子的二维边
缘图像检测法）来提高系统的空间分辨率。
动态范围R定义为初始背向瑞利散射功率和噪声功率之比，
单位为对数单位（dB）。动态范围是Φ-OTDR系统非常重要的一
个参数，它表明了可以测量的最大光纤损耗信息。由于在初始
位置的背向瑞利散射光反向传输过程中，能量会随着传输长度
感原理图如图3所示。 逐渐衰减，到达探测器时如果散射功率过低则难以被检测到。
因此，动态范围直接决定了可测光纤的长度。动态范围R的计算
二、Φ-OTDR技术的性能指标 公式如下：
Φ-OTDR技术最关键的性能指标包括空间分辨率、动态范围
和灵敏度。空间分辨率表示能分辨两个相邻事件的能力，影响 （12）
着事件识别的准确性，是系统定位精度的一个主要性能指标。 式中，P R （0）为脉冲光刚进入传感光纤时产生的背向瑞利
对于Φ-OTDR系统而言，它是指在传感光纤上可以明确区分不同 散射光功率，Pn代表接收灵敏度。考虑系统噪声分布，文献给
干扰事件的最小距离。 出了应用范围更加广泛的公式：
采用脉冲光作为探测光，设输入脉冲为矩形，如图4所示，
泵浦脉冲经过第一个散射体时，会产生散射脉冲1，当泵浦脉冲 （13）
经过第二个散射体时，产生散射脉冲2，此时存在两个散射脉 式中，PD为光电二极管可探测的最小光功率，C为在光接收
冲，二者在空间上的间隔为 机中的损耗，包括耦合器中的损耗，SNR为探测到的背向散射光
△l＝2S-D （8） 经过信号处理后的信噪比，L0为传输损耗，表示如下
其中，Ｓ为两散射体之间的距离，Ｄ为光脉冲的空间宽 L 0 ＝-10lg[Sa s v g w/2] （14）
度。取散射脉冲极限△L＝0，则可以得到恰好能分辨两个散射 式中，v g 为光纤中的群速度，ｗ为模场直径。注意，式
体之间的最小距离： （13）和（14）中功率的单位显然与式（12）以及前面公式中
S min =D/2 （9） 功率的单位不同，可以认为前者以dBm为单位，后者以mW为单
脉冲空间宽度Ｄ等于光在光纤中的传播速度ｖ与光脉冲时 位。
间宽度t的乘积，即满足 根据式13可知，可以通过提高系统信噪比、选择更高性
D=vT=(c/n)T （10） 能探测器等减少传输损耗的方法来提高系统动态范围。系统信
其中，ｃ为光在真空中传播的速度。 噪比的提高可以通过提高光脉冲的脉宽和脉冲峰值、提高入纤
空间分辨率与探测脉冲宽度和折射率等参数有关，根据式 脉冲光功率、改善EDFA，以及在数据采集阶段运用适当的信号
（9）和（10）整理可得系统空间分辨率公式： 处理方法来实现。提高动态范围能有效增加传感距离。2014
△z=S min =cT/2n （11） 年，分布型光纤放大方法首次被提出，实现了175km传感距离的
式中，△ｚ表示空间分辨率。式子中ｃ除以ｎ是为了计 Φ-OTDR系统，将Φ-OTDR无中继传感距离的世界纪录大幅提升
算探测脉冲光在光纤中的实际传播速度。由式（11）可知，假 约50km，这也是目前国际上无中继传感距离最长的分布光纤传
如Φ-OTDR系统中探测光脉冲宽度为10ns，则相应Φ-OTDR系统 感系统。
的空间分辨率为1m。长的传感距离一般需要更大的入射脉冲功 灵敏度也是系统的一个关键参数，它指的是系统对事件的
率，这往往对应更宽的脉冲，2009年，饶云江等人利用双向一 响应能力。在Φ-OTDR系统中，灵敏度就是对微弱振动信号的响
阶拉曼放大技术设计了Φ-OTDR系统，该系统实现了62km的传感 应能力。所以Φ-OTDR系统需要极窄线宽的光源，线宽越窄，背
距离和400m的空间分辨率。 向瑞利散射信号的干涉作用就越明显，从而使得系统的灵敏度
图4 空间分辨率和脉冲宽度的对应关系 更高。
三、Φ-OTDR应用
1、在海底光缆监测中的应用
当海底光缆附近发生恶意挖掘、地壳运动与船只抛锚等
活动时，海底光缆附近的海水会产生频率和振幅不同的振动，
进而可能会损坏光缆。由于埋在海底，修复与搭建工作比较复
杂，成本较高，一旦损坏有可能造成通信故障，因此必须进行
监测。振动会使海底光缆中的光纤受到外力作用产生扰动，进
而使其背向瑞利散射光相位产生变化。基于Φ-OTDR技术的海底
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