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分布式光纤振动传感技术及其重要应用分析

2017-04-11 09:08
天堂的苦涩
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3月22日,在上海市科学技术奖励大会上,中科院上海光机所的“分布式光纤振动传感技术及其重要安防应用”项目荣获2016年上海市技术发明奖一等奖。相关综述论文将发表于《中国激光》2017年第6期。

随着当今国际社会不稳定因素的不断上升,世界各国对国家核心要害部门和重大基础设施的安全越来越重视,对相关安全监测技术的要求也越来越高。分布式光纤振动传感技术,能够对光纤沿线外界扰动进行分布式感知,就像人的感知神经系统一样可以全方位连续监测,在事件精确定位、隐蔽性、环境适应性等方面具有不可替代的优势,在重要核心设施和区域安全监测中应用成效显著。 基于相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)的分布式光纤振动传感技术,对沿光纤链路的扰动入侵可以进行远程探测和实时监控,克服了常规点式光纤传感器难以对被测对象进行全方位连续监测的缺陷,是近年来国内外重点发展的战略性新兴产业。

分布式光纤振动传感技术主要是采用窄线宽单频激光作为探针光源,通过检测和相干解调光纤中后向瑞利散射信号来实现对外界微小扰动信息的提取和识别。由于采用了相干接收,大大提高了系统探测灵敏度,延长了工作距离,缩短了信号获取时间。

分布式光纤振动传感的技术原理

OTDR分布式光纤振动传感技术基本系统原理图


   通常采用线宽为千赫量级的单频低噪声激光光源,输出的激光分成两部分,一部分为传感光,一部分为参考光。通过相干探测的机制实现外界微小扰动信号的感知。

这种探测机制可以避免普通光时域反射计(OTDR)信号处理采用的多次平均,允许利用每次扫描取得的数据,这就使分布式传感器具备更强的动态信息传感能力。通过对不同回波时间相位信息做移动差分,就可以获得相应位置光波传输相位的空间(光纤轴向)变化信息。通过对重复扫描的相位数据做时间差分,就可以获得相应位置的振动信息,从而实现对外界扰动信号的动态实时感知。

分布式光纤振动传感的关键技术

基于相位解调分布式光纤振动传感的关键技术主要分成两部分:低噪声单频激光器技术和信号相干解调技术。

低噪声单频激光器技术

低噪声、高稳定度超窄线宽单频光纤激光器由于具有极窄光谱线宽(千赫量级)、超低频率噪声和强度噪声、良好的相干特性(相干长度达到几十公里甚至上百公里),在远距离分布式光纤传感、相干激光雷达、光纤水听器、引力波探测、相干激光通信等高精度的激光相干探测领域有着非常广泛的应用前景。

当前,结构紧凑的短腔单频光纤激光器[分布式反馈(DFB)或者分布式布拉格反射(DBR)结构],由于其可实现稳定的单纵模输出,已经在分布式传感等相干探测领域获得了很好的应用和市场反馈。在这个研究领域,笔者课题组在约2cm铒镱共掺增益光纤刻蚀π相移光栅制作DFB光纤激光器,在通过层浸封装技术隔震和低噪声泵源抽运下,实现了稳定的千赫线宽、毫瓦量级的保偏激光输出。

同时,为了提高应用的范围,进一步优化了DFB激光器的相关性能,如通过高阶边带注入锁定技术的加入,在保证DFB光纤激光器单频特性的基础上,大幅度提高了它的调谐范围。通过将半导体光放大器引入激光谐振腔内,成功将激光器的强度噪声抑制了35分贝,削除了弛豫振荡峰。

信号相干解调技术
(a) 相位调制双脉冲Φ-OTDR原理结构图;(b) 压电陶瓷(PZT)扰动实验的相位差曲线;(c)定量相位相干解调的扰动时间序列。

信号相干解调技术

分布式光纤振动传感最早采用后向瑞利散射信号直接探测方式,这种探测方式可以定性判断扰动信号的有无,却无法获取扰动信息的波形。此外,直接探测系统的传输距离较短,信噪比较低。为了增加传感距离和探测的灵敏度,当前分布式光纤传感技术主要是采用相干探测机制为主。

笔者课题组于2011年就开展了基于相干探测的数字相位解调的分布式光纤传感技术的研究 。在研究中,通过压电陶瓷对传感光纤600米处加载200赫扰动,从解调获得的幅度—时间和相位—时间曲线中可以看到,幅度信息可以大致反映扰动的波动情况,但是由于幅度与扰动的非单调性导致信号失真;相位信息能够更好地重建扰动信号,实现相位定量化测量,大大地推进了分布式光纤传感技术的实用化。 在分布式光纤振动传感信号相干解调技术中,容易受到两种衰落机制的影响,即干涉衰落和偏振衰落。干涉衰落是由脉冲内干涉引起的,当出现干涉相消时,光强变弱,对应位置的灵敏度变差,相位信息也无法进行解调,影响传感系统的性能。偏振衰落则是源于传感光纤内光波偏振态的随机缓慢变化和后向瑞利散射光的偏振变化,导致拍频信号幅度变弱,灵敏度变差。

近年来,课题组提出了利用相位调制双脉冲来解决干涉衰落的问题 。通过对脉冲对的0—π相位调制,改变沿线的衰落情况,并对其综合判别,实现扰动信息的无衰落重建,信噪比大于20分贝。随后,又提出了基于多频率光源的干涉衰落解决方法,并对系统的瑞利散射机理和干涉衰落特性进行了理论分析及仿真验证。对于偏振衰落,华雷斯(J. C. Juarez)等人提出了分偏振接收的方案实现偏振衰落的消除,至今仍为行之有效的解决方法。

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