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长距离分布式光纤传感技术研究进展

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资料介绍

分布式光纤传感技术是光纤传感领域的重要组成部分,具有以下突出优势:无需在光纤上制作传感器,传感光纤集传感与传输于一体,可实现远距离、大范围的传感与组网;可连续感知光纤传输路径上每一点的温度、应变、振动等物理参量的空间分布和变化信息,单根光纤上能获得多达数万点的传感信息.由于在长距离连续传感方面具有不可替代的优势,分布式光纤传感技术在周界安防、石油电力、大型结构等领域的安全监控方面具有非常广阔的应用前景.本文主要介绍电子科技大学光纤传感与器件研究团队在长距离分布式光纤静(布里渊光时域分析仪)、动(相位敏感型光时域反射仪)态参量传感技术取得的研究进展,包括基础与应用研究两个方面.

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物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 66, No. 7 (2017) 074207

专题: 光纤传感

∗

长距离分布式光纤传感技术研究进展

饶云江^†

(电子科技大学, 光纤传感与通信教育部重点实验室, 成都 611731)

( 2017 年 1 月 19 日收到; 2017 年 3 月 10 日收到修改稿 )

分布式光纤传感技术是光纤传感领域的重要组成部分, 具有以下突出优势: 无需在光纤上制作传感器,

传感光纤集传感与传输于一体, 可实现远距离、大范围的传感与组网; 可连续感知光纤传输路径上每一点的温

度、应变、振动等物理参量的空间分布和变化信息, 单根光纤上能获得多达数万点的传感信息. 由于在长距离

连续传感方面具有不可替代的优势, 分布式光纤传感技术在周界安防、石油电力、大型结构等领域的安全监控

方面具有非常广阔的应用前景. 本文主要介绍电子科技大学光纤传感与器件研究团队在长距离分布式光纤静

(布里渊光时域分析仪)、动 (相位敏感型光时域反射仪) 态参量传感技术取得的研究进展, 包括基础与应用研

究两个方面.

关键词: 光纤光学, 光纤传感器, 光纤激光器, 随机激光

PACS: 42.81.–i, 42.81.Pa, 42.55.Wd, 42.55.Zz

DOI: 10.7498/aps.66.074207

出光脉冲编码技术改进信噪比, 并取得了可喜的

进展. 该方案中, 首先在发射端对发送的抽运光

脉冲进行编码 (如 Simplex 码), 接收端则用快速

Hadamard 反变换解码. 与单一的累加平均相比,

在相同平均次数条件下, 可取得更高的信噪比. 早

期研究集中于非归零码, 为避免其中连 “1” 码引起

的布里渊增益谱形变, 2010 年 1 月, Soto 等 ^[8]报道

了采用归零编码, 在50 km 传感光纤上取得 1 m 空

1 长距离布里渊光时域分析仪

(BOTDA)研究进展

1.1 长距离BOTDA发展历程回顾

BOTDA 最初由 Horiguchi 和 Tateda ^[1]提出.

BOTDA 信噪比高、测量距离远、精度高, 已受

到各国研究者的普遍重视及深入研究 ^[2−4]

◦

间分辨率、2.2 C 精度的结果. 总之, 经过近几年

发展, 光脉冲编码已成为一种高效的改进信噪比

途径.

BOTDA 距离延伸与精度提高是相互制约的,

其原因不仅与光纤损耗导致的信噪比降低有关, 还

与探测光对抽运脉冲消耗所致的非局域效应 (non-

local eﬀect)有关 ^[5], 即: 抽运光脉冲沿光纤传播时,

峰值功率与本地布里渊频移相关, 导致光纤末端布

里渊增益谱出现多峰结构, 即前端信息串扰至后

端. 这一效应随传感距离增加会恶化. 因此, 长距

离 BOTDA 应在提高信噪比、克服非局域效应找到

突破口.

另一种改进 BOTDA 光信噪比的方案是分布

式拉曼放大 ^[13−18]. 2010 年 6 月, 本课题组提出该

方案, 实验获得了 75 km 传感距离、10 m 空间分辨

率、±0.6 ^◦C测量精度 ^[13]. 2011年4月, 电子科技大

学研究小组 ^[14]将 127 bit 光脉冲编码融入到基于

一阶拉曼放大的 BOTDA, 空间分辨率达到 2.5 m,

◦

在提高 BOTDA 信噪比方面, 文献 [6—12] 提

同时传感距离达到 74.6 km, 测量精度为 ±1 C.

∗

国家自然科学基金重大项目 (批准号: 61290312)、国家自然科学基金重大仪器项目 (批准号: 41527805)、教育部创新团队项目 (批准

号: IRT1218) 和 “111” 学科创新引智基地计划 (批准号: B14039) 资助的课题.

†

通信作者. E-mail:

074207-1

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 66, No. 7 (2017) 074207

◦

与此同时, Rodríguez-Barrios 等 ^[15]采用一阶拉曼

放大取得 75 km 传感、测量精度为 3 C 的实验成

1.5 C 温度精度、2 m 空间分辨率的长距离传感.

◦

另一种克服非局域化的途径是时分复用 (TDM) 方

法 ^[20,21]. 2011 年初, Dong 等 ^[20]报道了该方案. 与

传统BOTDA不同的是, 抽运光与探测光均被调制,

改变抽运与探测光之间的时延量, 可对特定光纤段

进行选取, 而探测光脉宽决定了所选取光纤段长

度. 总体而言, FDM 及TDM是两种较为有效的抑

制非局域化的方案.

果; Martin-Lopez 等 ^[16]将此方法推广至二阶拉曼

放大, 并于 2010 年 8 月报道了 100 km 传感距离、

2 m 空间分辨率的实验结果. 为抑制拉曼放大中

抽运 ——信号相对强度噪声转移的问题, 2011 年 2

月, Soto 等 ^[17]报道了利用低噪声半导体激光器抽

运延伸传感距离、提高空间分辨率的方法. 总之, 分

布式放大在大于 100 km BOTDA距离延伸方面具

有较大潜力.

2012年, 电子科技大学研究团队在系统研究随

机光纤激光(random ﬁber laser, RFL) 特性的基础

上, 首次提出了基于随机光纤激光的分布式拉曼

放大 (DRA) 新概念, 随后将其成功应用于分布式

光纤传感距离的提升, 两次刷新了无中继 BOTDA

在克服 BOTDA 非局域效应方面 ^[19−21], Bao

研究组 ^[19]提出频分复用 (FDM) 方法. 该方案将

多段具有不同布里渊频移的传感光纤串联起来, 扫

描整段光纤布里渊增益谱. 扫频时, 仅当频移量

与对应光纤布里渊增益谱峰值频率相等时, 抽运

才与探测光作用, 以抑制非局域化. 实验获得了

◦

的传感距离世界记录 (分别为 142.2 km (±1.5 C;

5 m), 154.4 km (±1.4 C; 5 m)).

◦

表 1 长距离 BOTDA 研究进展 (蓝色字体为项目组研究成果)

Table 1. The research progress of long-distance BOTDA.

序号

期刊时间

OL, 2010

JLT, 2010

OE, 2010

PTL, 2011

OE, 2011

OL, 2011

JLT, 2012

OFS, 2012

PTL, 2012

JLT, 2012

OE, 2012

OE, 2013

MST, 2013

OFS, 2012

OE, 2013

作者

技术

差分脉冲对 (DPP)

光脉冲编码 (OPC)

一阶 DRA

实际距离/km 分辨率/m

精度

Liang et al.

Soto et al.

Jia et al.

0.5

0.7 MHz/12 µε

2.2 ^◦C/44 µε

±0.6 ^◦C

Barrios et al.

Lopez et al.

Jia et al.

一阶 DRA

二阶 DRA

100

74.6

120

100

150

120

100

一阶 DRA+OPC

一阶 DRA

2.5

±1 ^◦C

2.1 ^◦C/45 µε

3.1 ^◦C/60 µε

±2 MHz/±2 ^◦C

1.5 ^◦C/30 µε

1.9 ^◦C/38 µε

1.3 ^◦C/26 µε

1.2 ^◦C

Soto et al.

Dong et al.

Vinuesa et al.

Soto et al.

Vinuesa et al.

Hu et al.

预放

TDM

FDM+ 中继

二阶 DRA+OPC

一阶 DRA+OPC

一阶 DRA

一阶 DRA+DPP

相干检测

0.5

2.9 ^◦C

1.8 ^◦C

Taki et al.

Jia et al.

一阶 DRA+DPP+OPC

基于 RDFB-FL 抽运的 DRA+OPC

基于环形随机激光抽运的 DRA+OPC

混合 DRA+OPC

混合 DRA+OPC+W-PCA+NLM

0.5

1.7 ^◦C/34 µε

±1 ^◦C

122

142.2

154.4

157.68

Jia et al.

±1.5 ^◦C

Jia et al.

±1.4 ^◦C

20 ICOCN, 2016

Qian et al.

±0.65 ^◦C

074207-2

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