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光纤检测光电复合缆状态分支与光纤分布式传感技术 （一）光纤分布式传感技术介绍 在检测缆线状态方面，利用光纤检测缆线状态的文献占到了97%，而用其它方式检测的文献仅占3%，说明光纤在这方面具有独到的优势。光纤检测缆线状态技术的基础是光纤传感技术，而光纤传感技术具有通用性，它绝不局限于光电复合缆。近年来，光纤传感技术迅速发展，受到人们越来越多的关注，正逐步成为继光纤通信产业发展之后又一大光纤应用技术产业。其中，分布式光纤传感是目前国内外研究的热点之一。分布式光纤传感测量是利用光纤的一维空间连续特性进行测量的技术。光纤既作传感元件，又作传输元件，可以在整个光纤长度上对沿光纤分布的环境参数进行连续测量，同时获得被测量的空间分布状态和随时间变化的信息。分布式光纤传感技术具有以下基本特征： ① 传感元件仅为光纤； ② 一次测量就可以获取整个光纤区域内被测量的一维分布图，将光纤架设成光栅状，就可测定被测量的二维和三维分布情况； ③ 系统的空间分辨力一般在米的量级，因而对被测量在更窄范围的变化一般只能观测其平均值； ④ 系统的测量精度与空间分辨力一般存在相互制约关系； ⑤ 检测信号一般较微弱，因而要求信号处理系统具有较高的信噪比； ⑥ 由于在检测过程中需进行大量的信号加法平均、频率的扫描、相位的跟踪等处理，因而实现一次完整的测量需较长的时间。 97% 97% 3% 图1 光纤检测缆线状态占比 分布式光纤传感技术一经出现，就得到了广泛的关注和深入的研究，并且在短短的十几年里得到了飞速的发展。目前已经报道的分布式光纤传感技术主要分为基于各种散射效应的OTDR技术的分布式测量和基于光纤干涉仪原理的分布式测量。依据信号的性质，基于光纤后向散射的光时域反射(OTDR)技术又包括相位敏感型光时域反射技术（OTDR），拉曼光时域反射技术( ＲOTDR)，布里渊光时域分析技术（BOTDA）。 图2 全分布式光纤传感器分类 1.1 基于OTDR技术的分布式测量 基于光纤后向散射的光时域反射(OTDR)技术是目前较为成熟的一类分布式光纤传感，已经有大量实际应用的案例。 例如公开号为JPH0573797的日本文献公开了一种线缆结构，其包括沿中心设置的一线性体，螺旋缠绕在线性体上的涂覆光纤，在内表面具有突出横撑的保护层以及一线性外部压力传感器用于测试发生异常的位置信息。该位置检测的方法正是基于时域反射技术（OTDR）实现的；当异常出现，将反馈给传感器一外界压力，内表面的突出横撑将受压并传递至涂覆光纤。涂覆光纤接受到横向测压将会弯曲，并在该位置处迅速产生传输损耗。通过监测光纤一端的传输损耗，从而获取线缆发生异常的位置信息。上述过程中，传输损耗的监测正是基于OTDR的方法。 由于基于光纤后向散射的光时域反射(OTDR)技术又包括相位敏感型光时域反射技术（OTDR），拉曼光时域反射技术( ＲOTDR)，布里渊光时域分析技术（BOTDA），因此下面就每种技术给出具体介绍。 相位敏感型光时域反射技术（OTDR）与普通OTDR一样，光脉冲从光纤的一端注入，同时用探测器接收瑞利散射光。不同的是，OTDR的光源是高度相干的，因此光脉冲宽度区域内散射的瑞利光在同一时刻到达探测器时会发生干涉。下图3是OTDR的原理图。当测量光纤上某一位置受到扰动，由于弹光效应，光纤的折射率、长度等都会发生微小的变化，导致光纤内散射光信号的相位发生变化，最终探测器检测到的干涉信号就会发生变化。 图3 OTDR原理框图 拉曼光时域反射技术（ＲOTDR）能够对电缆中光纤的温度进行测量与定位。ＲOTDR利用的是光纤中的拉曼散射，它是一个非线性过程：注入光子与光纤中的分子相互作用时，会释放或吸收声子，从而改变散射光的频率。当注入光的频率为，散射光频率的变化量为，频率为的光称为斯托克斯散射光，频率为的光称为反斯托克斯散射光。自发拉曼反斯托克斯光与斯托克斯光的比值仅与温度有关，而与光强、入射条件等无关，因此通过检测器检测比值就能实现任意一点温度T的绝对测量。ＲOTDR原理见图。针对ＲOTDR技术，日本文献JPA公开了一种利用拉曼散射实现温度分布式测量的方法和电缆装置，该电缆结构中，拉曼散射光纤芯沿着轴向屏蔽层的方向分布，屏蔽层包括金属信号线。 4 ＲOTDR原理框图 布里渊光时域分析技术（BOTDA）也能够对光纤的温度与应变进行测量与定位。BOTDA是利用光纤中的布里渊散射，它也是一个非线性过程：注入光子与光纤中的声子相互作用后，使散射光的频率相对于入射光有一个布里渊频移。散射光布里渊频移量的大小与光纤中声速成正比，而光纤中的折射率与声速均与光纤的温度及所受的应力等因素相关，这使得布里渊频移量随着温度与应力的变化而变化，因此通过检测布里渊频移量的大小，可以得到光纤