BOTDR分布式傳感系統(tǒng)

引言 
分布式光纖傳感器相對傳統(tǒng)電傳感器來說有著明顯的優(yōu)勢。近來，基于內(nèi)置光纖光柵（FBG）技術(shù)的傳感器得到了廣泛的應(yīng)用。這是一種典型的準(zhǔn)分布式傳感器，它主要用來對多點進(jìn)行溫度和應(yīng)力的探測。然而，這種準(zhǔn)分布式傳感有一個很大的缺點，那就是它的探測僅僅局限于那些內(nèi)置FBG的特殊位置，它不能提供沿光纖方向全分布的溫度和應(yīng)力的信息，而且隨著內(nèi)置FBG數(shù)量的增加，系統(tǒng)配置的成本將迅速增加。另外，對于由FBG構(gòu)成的探測系統(tǒng)來說，它需要有很高精度的波長解調(diào)設(shè)備才能組網(wǎng)。

隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，基于光纖非線性效應(yīng)的全分布式光纖傳感系統(tǒng)正在快速改變這種局面。它是一種真正的傳、感合一的全分布式探測系統(tǒng)�；�于喇曼散射的分布式傳感系統(tǒng)目前已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。但是，這種探測系統(tǒng)只能對溫度進(jìn)行探測，對應(yīng)力不敏感；而且這個系統(tǒng)靈敏度不高，溫度精度為1oC，空間精度為1米；由于喇曼散射后返回的信號非常弱，它要比瑞利散射強(qiáng)度弱20-30dB，探測距離也只能在10-20公里之內(nèi)。為了提高探測距離，因此常常需要脈沖峰值功率很高的脈沖激光光源。鑒于基于喇曼散射傳感系統(tǒng)的種種不足，基于布里淵時域反射（BOTDR）的傳感系統(tǒng)正在快速發(fā)展。它采用標(biāo)準(zhǔn)的通訊單模光纖作為傳感元件，它能提供上百公里的溫度和應(yīng)力的同時探測能力。

相對基于喇曼散射的傳感系統(tǒng)來說，BOTDR傳感系統(tǒng)有以下幾個方面的優(yōu)點：1）它能同時對溫度和應(yīng)力進(jìn)行探測；2）測量靈敏度高，溫度為0.2oC,應(yīng)力為4με;3)探測作用距離遠(yuǎn)，能達(dá)到100公里，空間分辨率達(dá)到5米；4）成本費(fèi)用低。

核心技術(shù)：
為了實現(xiàn)高精度和低成本的BOTDR傳感探測，系統(tǒng)必須配備一臺高功率、超穩(wěn)定、單頻率、窄線寬的光纖激光器。光庫通訊（珠海）有限公司提供的擁有世界上獨一無二專利技術(shù)的單頻光纖激光器，圓滿地解決了這個問題。光庫通訊提供的1550nm光纖激光器最大的特點就是它的線寬超窄至2KHz，頻率穩(wěn)定性好于10MHz，具有超長的相干長度和超低噪聲，其輸出功率可達(dá)到150mW，邊模抑制比高于50dB,熱調(diào)諧范圍為20GHz。
圖1是同時測量溫度和應(yīng)力的傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。光源是光庫通訊提供的窄線寬光纖激光器。光信號在注入長距離光纖（100公里）之前，一部分激光器輸出的光信號經(jīng)過調(diào)制器后形成脈沖光信號；另一部分則輸入環(huán)形干涉器，該環(huán)形干涉器其實相當(dāng)于一個布里淵光纖激光器。環(huán)形激光器的腔長為10-20米，腔的自由光譜范圍（FSR）非常接近光纖中布里淵增益的帶寬（約20MHz），從而讓布里淵光纖激光器單頻工作。為了讓布里淵激光器穩(wěn)定工作，它的輸入激光信號需要非常窄的線寬和很少的頻率波動。光庫通訊提供的窄線寬光纖激光器，它的線寬比最好的半導(dǎo)體激光器的線寬要窄2-3個數(shù)量級，工作一段時間后，穩(wěn)定的窄線寬激光器的頻率波動僅在±20MHz以內(nèi)。另外，在布里淵激光器上，還使用了一個PZT調(diào)制器來對其工作頻率進(jìn)一步進(jìn)行穩(wěn)定。由于窄線寬光纖激光器和布里淵散射信號都位于通信波長區(qū)域，因此在該系統(tǒng)中使用的光學(xué)器件（比如普通光纖放大器，摻鉺光纖放大器）都是低成本的商業(yè)化的通信產(chǎn)品。
  
在BOTDR傳感系統(tǒng)中，我們采用了連續(xù)的外差探測技術(shù)，來探測到光纖中攜帶的溫度和應(yīng)力信息的自發(fā)布里淵散射的光脈沖信號。通過測量布里淵頻移和布里淵散射的光功率，就可以求得被測量點的溫度和應(yīng)力的大小。在外差探測中，穩(wěn)定連續(xù)的布里淵激光器被當(dāng)作本地振蕩器（OLO），將本地振蕩器的信號與自發(fā)的布里淵散射信號進(jìn)行拍頻，拍頻信號的頻率小于500MHz，這樣這個低拍頻信號就可以用成熟的低頻電子技術(shù)來處理。而且，低頻的外差探測不僅具有很高的靈敏度，同時也提供了使用低成本的商業(yè)化電子產(chǎn)品進(jìn)行實時數(shù)據(jù)處理的機(jī)會（比如頻率-電壓轉(zhuǎn)換器），取代了高成本的頻率在傳統(tǒng)外差接收器帶寬之外的微波連續(xù)探測。在1.55um波長處，布里淵散射光的頻移大致為11GHz，拍頻位于廣泛使用的外差探測器的帶寬之外，這就需要昂貴的微波連續(xù)探測器。

實際應(yīng)用
隨著BOTDR傳感技術(shù)的日益成熟，BOTDR分布式溫度和應(yīng)力傳感系統(tǒng)將不斷為我們的生活提供更優(yōu)質(zhì)的安全服務(wù)。它不但能準(zhǔn)確提供各種建筑物、橋梁隧道、大壩、儲油罐、邊坡穩(wěn)態(tài)、石油天然氣管道、船只、鉆井平臺等各種應(yīng)力變形的實時檢測信息，同時也能提供各種火情溫度檢測、電源變壓器、發(fā)電機(jī)以及各種溫度過熱檢測等系統(tǒng)最精確的溫度監(jiān)測信息。我可以這樣的說，BOTDR分布式溫度和應(yīng)力傳感系統(tǒng)，是光纖傳感探測領(lǐng)域一次飛躍性的革命，無論從探測范圍，探測參量的數(shù)量，還是探測精度，都是過去傳感系統(tǒng)所無法比擬的。而光庫通訊為BOTDR搭載的窄線寬激光器，無異于為這次傳感領(lǐng)域飛躍性發(fā)展提供了最強(qiáng)大的動力！