[發明專利]一種提高Φ-OTDR分布式光纖傳感系統性能的方法及系統

有效

• 申請號: 201110374261.6
• 申請日: 2011-11-22
• 公開（公告）號: CN102506906A
• 公開（公告）日: 2012-06-20
• 發明（設計）人: 饒云江;吳宇;張田虎
• 申請（專利權）人: 無錫成電光纖傳感科技有限公司
• 主分類號: G01D3/036
• 分類號: G01D3/036;G01B11/16;G01K11/32
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 宋松

技術領域

本發明涉及光纖技術領域，具體涉及一種利用拉曼混合放大技術提高Ф-OTDR分布式光纖傳感系統性能的方法及系統。?

背景技術

在物聯網風潮的推動下，伴隨著人們對軍事基地、發電站、變電站、儲油基地、危險品倉庫、高端小區等場所的安全性要求越來越高，各種智能安防技術正受到人們密切的關注，新型的安防系統有著非常重要的經濟價值和社會價值。基于Ф-OTDR技術的分布式光纖傳感系統，與普通傳感系統相比具有無可比擬的優勢，該系統以相位作為測量參數，具有極高的靈敏度，傳感元件、光纜都埋藏于地下，具有極強的隱蔽性，另外其具有全程無源、抗電磁干擾、電絕緣性好、定位準確、響應及時、不受地形限制、易于安裝等優勢，使其有可能成為大范圍分布式監測技術的最佳選擇之一。?

隨著傳感距離的增加，受光纖損耗及瑞利散射等的影響，脈沖光能量急劇下降，從而限制了整個系統的傳感距離。提高傳感距離最直接的方法是增大探測脈沖光的功率，傳統的Ф-OTDR(相位敏感光時域反射計，phase-sensitive?optical?time-domain?reflectometer)系統一般采用集中式放大技術，即探測光進入光纖前應用摻鉺光纖光放大器(EDFA)將脈沖功率放大，由于過高的脈沖能量導致：?

①前端容易出現非線性效應，這不僅會干擾傳感信號，而且當信號光功率大于光纖布里淵閾值后，信號光會產生受激布里淵效應，導致信號光功率在入?射端附近急劇下降，能量急劇向布里淵散射光轉換，從而使得信號光的傳輸距離不能得到有效增加。?

②光纖中功率分布不均衡，使得前后端的傳感光纖靈敏度差別很大，并且在同樣的環境下，前端光纖更容易受環境噪聲的影響，尤其是外界噪聲變化較大時，后端的擾動信號會被噪聲淹沒，將會大大降低系統遠端性能，增加誤報率。雖然使用均衡的方法可以一定程度解決這個問題，但是后端功率太小導致入侵信號的信噪比降低，入侵信號不易識別，嚴重影響了系統的信噪比。受此影響，基于集總式放大技術的Ф-OTDR系統傳感距離＜30km。?

另一方面，由于系統分辨率與探測脈沖寬度成反比，隨著系統對空間分辨率及測量距離要求的進一步提高，脈沖寬度將會越來越窄，信號的占空比也越來越小，從而導致信噪比的急劇下降。從1993年H.F.Taylor提出了Ф-OTDR技術(見H.F.Taylor?and?C.E.Lee，Apparatus?and?method?for?fiber?optic?intrusion?sensing，U.S.Patent?5?194?847，Mar.16，1993.)到現在，該技術取得了極大的發展，1998年S.V.Shatalin等人提出了Ф-OTDR系統可以用于分布式溫度和擾動監測(見S.V.Shatalin，V.N.Treschikov，and?A.J.Rogers，Interferometric?optical?time-domain?reflectometry?for?distributed?optical-fiber?sensing，Appl.Opt.，1998，37：5600-5604，)。K.N.Choi等人在2003年利用一個超窄線寬低頻率漂移的激光器，完成了Ф-OTDR分布式光纖傳感系統用于地面入侵探測，定位精度達到1km，定位范圍為12km(見K?N?Choi?and?H?F?Taylor.Spectrally?stable?Er：fiber?laser?for?application?in?phase-sensitive?optical?time-domain?reflectometry.IEEE?Photon.Technol.Lett.，2003，15(3)：386-389)。2009年，Y?J，Rao報道了將一階雙向拉曼放大用于Ф-OTDR系統，進一步延長了該系統的傳感距離(見Y?J，Rao?et?al.Long-distance?fiber-optic?Ф-OTDR?intrusion?sensing?system，20th?International??Conference?on?Optical?Fibre?Sensors)。但是在長距離(＞50km)Ф-OTDR傳感系統中，由于拉曼泵浦的功率及拉曼增益系數沿光纖呈指數衰減，使得該方法不能徹底消除功率分布不均現象，且傳感距離愈長，波動愈嚴重，其結果是在傳感信號分布上出現了一個大范圍、低信噪比的測量“盲區”。另一方面，一階拉曼泵浦的效率較低，而在長距離傳感系統中，對拉曼泵浦功率的要求很高，從而極大提高了系統成本。?