光纤预警传感技术综述

郭举富，王尉军，盛兴隆，李朝举，胡凯强

（贵州电网有限责任公司，贵州 贵阳 550013）

0 引 言

近几年，光纤预警传感技术在工程上的应用越来越多。为保障电力系统的正常运行，需要安排工作人员参照路由图纸进行日常线路巡视，以便发现光缆附近有施工时及时进行安全处理。由于巡线人员不足等因素，很多施工并没有在运维人员巡线时被发现，且其中很多施工属于野蛮施工，即“事前无报备，事后当电缆、光缆挖断时又刻意隐瞒”，导致抢修工作困难重重。

随着光纤传感技术的发展，可以提前发现电力管道光缆附近的机械施工情况，以便及时通知巡视人员到达现场进行沟通，减少威胁光缆安全的事故发生。

1 光纤传感技术——干涉型

干涉光中，光的强度变化和光程差的变化存在一定的对照关系。因此，干涉型光纤传感技术通过此种联系获取外界的物理量，灵敏度高但定位精度差，在光纤预警系统中的应用程度不高。

20世纪90年代，Paul R. Hoffman[1-4]等人研究了多场景下的安全检测任务，主要基于Sagnac干涉理论的分布式光纤传感技术系统结构，如图1所示。

图1 基于Sagnac干涉原理的检测结构

光信号经过耦合器后分为两束光源在两根光纤绕成的光纤环中依照不同的方向行进，这两种光信号返回终点耦合器时会引起干涉现象。信号的相位频谱变化多与其频率特征有关，此特定可以用来对该处光纤的干扰进行物理定位。一旦有外部振动作用于传感光纤的时候，传输光缆的一端可以检测到亮暗相间的光传输信号，反映的是传输光源的相位差变化，也反映光纤是否受到干扰。

基于Sagnac干涉原理的光纤传感系统改造结构简单，不需要额外控制光路的相干长度。但是，该传感系统只能应用于一定频率特征的某类外破入侵事件，限制了其在外破事件入侵监测中的应用范围，且该系统中的光纤需要屏蔽使系统的定位精度达到一定水准，一定程度上增加了系统的复杂性。

为解决以上问题，基于双Mach-Zehnder的安全预警技术方案相继被提出。Mach-Zehnder干涉仪是一种较为常见的波长调制型光纤传感器，基于建立输入波长变化与相位变换之间的联系反映外界的传输光强变化。

不同的光纤传感系统因为原理不同而具有不同的特征。某一类系统具有其他系统不具有的优点，但同样存在其他系统没有的缺点。所以，为了解决单一方法的不足，许多学者通过借鉴各种各样的光纤传感技术构造综合的光纤传感系统。1997年，Stephanus J. Spammer[5]研究出基于Sagnac/Michelson干涉原理的光纤传感系统应用于外破入侵事件的安全监测，优势在于能够识别较多的外破入侵事件的频率特征，但无法解决光纤屏蔽。后期Anatoli A.Chtcherbakov[6]提出了一种光纤传感系统用于外破入侵事件的定位与监测，主要依据是融合Sagnac和Mach-Zehnder的干涉原理。系统通过对两种干涉仪的输出信号进行对比得到入侵信号的定位位置，缺点是Mach-Zehnder干涉仪为了传输数据需要独立的数据传输通道，而随着传输距离的增加，数据在传输过程中必然会消耗时间，因此对于距离较长的光缆外破监测，该系统很难实现。

2 光纤传感技术——光栅型

光纤Bragg光栅传感系统（FBG）[7]在20世纪后期逐渐走进人们的视野。作为一种全光纤无源器件，光纤Bragg光栅具有体积小、波长选择性好、不受非线性效应影响、极化不敏感、易与光纤系统相连接、便于使用和维护、带宽范围大、附加损耗小、器件微型化、耦合性好以及可与其他光纤器件融成一块等特性，且具有成熟的光纤光栅制作工艺，成本低廉，易于进行大规模生产，因此具有良好的实用性。这样的优越特性使得光纤Bragg光栅以及光纤光栅的器件成为全光网中较为理想的器件，具有不可比拟的优势。

基于FBG的物理特性，研究通常将其分为主动型光纤光栅传感技术和被动型光纤光栅传感技术两种。被动型光纤光栅传感技术的主要理论依据是通过波长调制达到传感的最终目的。外界的干扰量如温度、应变等变化，会影响到光纤光栅的折射率、调制周期以及纤芯的折射率。系统结构如图2所示。

图2 被动型FBG光纤传感系统

主动型光纤光栅传感技术需利用分布式布拉格反射式（DBR）光纤激光器，工业上已经实现同时对温度和应变进行测量，方法多为同时使用两个光纤DBR激光器，系统如图3所示。

图3 主动型光纤光栅传感系统

3 光时域反射技术——OTDR

目前，基于OTDR分布式光纤振动传感的监测系统种类繁多，其中运用广泛的主要有偏振敏感光时域反射技术（POTDR）、普通光时域反射技术（OTDR）、自发布里渊散射光时域反射技术（BOTDR）以及相位敏感光时域反射技术（PHI-0TDR）4种。

光时域反射技术多基于瑞利散射机制完成信号的采集，因为瑞利散射光频率和入射光波相同，所以在瑞利散射中光波的频率在散射过程中会一直保持不变。传感光纤会接收激光源发射的高强度光信号，探测器通过检测沿着光纤轴后向传回的后向瑞利散射光波的光信号，实现温度、应力等物理量的测量。工业上，通常利用这种技术实现对传输管廊的监测。

后向瑞丽散射光在进行多次平滑处理后可以增强其光波强度，从而保证传感系统的灵敏度达到一定的水平。在平滑过程中，光纤的状态需要保持恒定，以确保测量精度。

普通OTDR因为损耗较高，只能感受到较为敏感的光强变化。对于FDD系统来说，测量的物理量为时变信号，因此基于普通OTDR的分布式光纤扰动传感器不能适用于频率较高的振动传感。

布里渊散射技术能够利用布里渊散射效应完美地将待测变化量转变为布里渊频移变化量。依靠这项技术，它能应用在一些监测任务中，如对基坑、变形以及扭转等。

在现代光纤振动检测时，最主要的问题是常常无法分清到底是什么状态变化导致了光纤偏振态发生变化。一些光缆铺设的环境复杂且恶劣，能够引起光纤振动的外界物理量数量也非常多。因此，偏振态的变化也只能对监测起到一定的帮助，而要完成大范围的分布式监测任务，光靠偏振态这一独立的参数是不行的。

POTDR适用于温度的测量[8]；BOTDR因为其空间分辨率和广阔的测量宽度，可用于应变、温度测量；POTDR传感的距离比其他传感技术要短，但是能够完成高精度的定位任务；PHI-OTDR定位精度高，系统响应快，具备长距离探测能力等优点。

BOTDR主要建立外界被测物理量如温度、应力等与光纤中的布里渊散射功率或频移的变化量的变化关系来进行分布式传感监测[9]。工业上，通常通过监测布里渊散射信号返回的时间完成空间的定位工作，如汽油传输，电力传输等。在这些应用场景中，BOTDR技术因为能够感知温度和应力而被广泛运用。

基于相位敏感的PHI-OTDR技术是通过OTDR不断发展而来的。PHI-OTDR技术的光源信号是频率超窄的激光器发射的，其中高相干光信号的形成经过声光调制器的调制后形成光脉冲信号。此种光信号在光纤内部进行传播时会因为光纤内部的构造原因而产生折射率不均匀的特性，是瑞丽散射光产生的原因。这些瑞利散射的光信号沿着光纤内部反方向传播至光源发生处，最终通过环形器进入光电探测器，因此系统输出信号为后向瑞利散射光的相干干涉光强。PHI-OTDR技术相较于传统的OTDR技术，最大的区别在于改进了光源。

PHI-OTDR分布式光纤振动传感器主要实现的功能是定位外部振动干扰点，其基于后向瑞利散射光信号的相干干涉光波信号理论实现定位任务。当光纤外部受到扰动干扰时，光纤内部的物理结构会使内部的折射率发生变化，而这一变化能够使后向传输光信号的相位受到调制。此时，后向散射光的强度会引起变化，这种差别是系统甄别传输光纤是否受到外界扰动的关键。系统捕捉器通过感知光强的变化准确定位光纤外部的振动物理位置。PHI-OTDR分布式光纤振动传感器是基于感知干涉光的相位变化判断光信号发生了变化，因此可以同时测量多个不同位置的振动信号，且相较于其他普通的OTDR方法，具有很高的灵敏度。

4 结 论

光纤传感技术的发展对电力防止外部扰动事件起到了重要作用，可以利用这项技术捕捉、统计分析对光缆、电缆数据，以便阻止可能发生的事故，减少光缆维护人员的工作负担。随着光缆监测系统的不断更新发展，光纤预警传感技术将在众多的应用场景中获得应用。