Page 41 - 网络电信2020年3月刊下
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图2 光在光纤中传输时的后向散射与定位示意图                                  二、光纤振动感知
                                                                     管道沿线第三方活动产生的振动信号被光纤感知，通过对
                                                                 光纤中传播的光信号进行解调，可以获得光缆沿线的振动信号
                                                                 强度。为了实现对管道的安全防护，需要解决光缆与管道的位
                                                                 置校准以及事件的识别问题。
                                                                     1. 地面定位与长度标定
                                                                     在实际应用中，由于光缆柔性敷设、光纤余长、熔接盘
                                                                 留等因素，光缆的实际长度与管道长度相差可达10%。事件报
                                                                 警时定位的为光缆长度，该长度与管道里程有较大差异，因此
                                                                 必须进行光缆长度和管道长度的标定，才能将报警和地表位置
                2. 瑞利散射                                          对应。工程实际中参照SY/T6827的要求，在确定的地表标识处
                瑞利散射是光在传播过程中与光纤介质中的微观粒子发生                        采用10kg铅球自由落体人工激励振动的方式在光缆上产生扰动
            弹性碰撞引起的弹性散射，一般用来监测光纤的损耗。如果窄                          信号，从而读取光缆位置的方法，实现光缆位置和地表标识的
            线宽激光器产生的入射光的相干长度足够长，入射脉冲光可以                          对应。一般管道测试桩、穿越桩、地貌功能分界处必须进行定
            与各个位置返回的后向瑞利散射光发生干涉。当管道沿线有振                          位，对个别埋深较深，无法进行定位的应在最近的能够引起光
            动发生时，由于弹光效应使该处光纤的折射率发生变化，后向                          缆振动的地面标识处进行标记（图3）。
            散射光的相位发生变化，干涉条纹也随之改变。系统采集振动                              通过地面定位可以将光缆长度与地面标识物对应，出现事
            事件前后的干涉信号相减，就可以得到包含振动事件的特征和
                                                                 件报警后，可以直接将光缆长度与管道的地面标识对应，直接
            位置信息。
                3. 布里渊散射                                          图3 光缆与地面标识对应示意图
                光纤中传播的光波与声波相互作用，其中后向散射光相对
            入射光发生频率偏移，布里渊散射光的频率偏移量与光纤轴向
            的应变和温度呈线性关系，通过测量布里渊散射光频率的偏移
            量就可以实现对光纤轴向应变的测量。
                 V BS  =V BO +C T (T-T 0 )+C ɛ (ɛ-ɛ 0 )                  （2）
                式中：V BS 表示光纤被测量处布里渊散射光的频率偏移量，
            MHz；V B0 表示光纤在初始温度、应变下的布里渊散射光的频率偏
            移量，约为11GHz；T、T 0 分别表示测量温度值、参考温度值，
            K；ɛ、ɛ 0 分别表示测量应变值、参考应变值；C T 为温度系数，                   确定事件的地理位置，方便巡线人员使用。
            MHz/K；C ɛ 为应变系数，MHz。                                     2. 与位置结合的事件分析方法
                布里渊散射光对温度和应变同时敏感，试验测得的温度系                            不同时刻、不同位置的振动信号可以采用瀑布图的形式
            数C T 约为应变系数C ɛ 的20倍，布里渊散射对应变更敏感，而且温                  展示，其竖轴为时间，横轴为距离，图中竖为同一位置不同时
            度变化是慢速变化，应变是快速变化，因此，工程应用中主要                          间的振动强度，横向为同一时间不同位置处的振动强度（图
            利用布里渊散射测量应变。                                         4）。一般人为活动的影响范围为几米到几十米，在瀑布图中显
                4. 拉曼散射                                          示为竖线，如图4中标识的1、2、3对应的位置。1标示的为同一
                入射脉冲光与光纤分子发生非弹性碰撞，并进行能量交                         位置处连续的振动信号，现场调查为公路，这是正常的活动，
            换造成散射光频率改变。其中，频率降低的散射光为斯托克斯                          只要过车就会标记振动，一般不需要特别关注。2标示的位置为
            光，升高的为反斯托克斯光，这就是拉曼散射。反斯托克斯的                          农田，识别出的事件为6次人工挖掘测试a、b、c、d、e、f，按
            强度与温度相关，斯托克斯光的强度不随温度改变。光纤中的                          照时间顺序a为最晚发生的，f为最早发生的，竖线的长度为持
            温度与拉曼散射光传播特性之间的关系可表示为：                               续的时间。3为乡村土路，白天有车辆经过，晚上一般没有车辆
                                                                 经过。只有地震等强烈的振动才会使光缆全线感知振动，出现
                                                                 横线  [10] 。
                                                                     可以将瀑布图获得的振动分布与管道电子地图相结合，实
                式中：P S 、P AS 分别为斯托克斯光和反斯托克斯光功率，                  现振动信息与环境、地理位置、地貌的联合分析。不同的振动
            mW；α s 、α AS 分别为斯托克斯光和反斯托克斯光损耗系数，dB/                 强度对应不同烈度的人为活动，振动强度越大，人为活动越频
            km；L为后向散射点到探测段的光纤长度，m；L'为放置在恒温                       繁，越危险。光缆振动监测能够提取沿线第三方破坏的强度、
            下定标光纤的长度，m；h为普朗克常数，J·s；k为玻尔兹曼常                       影响范围及持续时间，通过时空联合分析，可以实现人为活动
            量，J/K。                                               强度的数据分析。
                基于拉曼散射的分布式光纤测温系统的温度需要一段温度                            通过光缆振动监测信号的时空分布，可以实现对公共道路
            确定、光纤参数一致的定标光纤进行定标，直接测量获得的只                          的准确定位以及交通流量的实时监控。对车辆活动强度明显异
            是光纤沿线的温度趋势，只有进行温度定标后的温度才是真实
                                                                 常的情况将进行第三方活动预警，提示巡线。应用中根据不同
            的环境温度。

                                                       网络电信 二零二零年三月                                            69
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