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相位敏感型光时域反射传感系统光学背景噪声的产生机理及其抑制方法

更新时间：2019-12-30 12:48:10 大小：6M 上传用户：zhiyao6查看TA发布的资源 标签：传感系统 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

相位敏感型光时域反射(Φ-OTDR)传感系统具有响应速度快、灵敏度高等优点,能够实现对微弱扰动的分布式检测,在重大设施的入侵警戒、大型工程结构的健康监测等领域具有广阔应用前景.然而,与传统的OTDR传感系统不同,Φ-OTDR系统中存在着激光器中心频率漂移、偏振相关的噪声、光纤应变与干涉强度非线性对应关系引起的测量失真等光学背景噪声,对有效信号的提取形成了不可忽视的干扰,从而限制了Φ-OTDR传感系统在实际应用环境下的传感性能.本文对这些光学背景噪声的产生机理进行了深入分析,并提出了相应的噪声抑制方法.实验结果表明,本文提出的方法可以有效抑制Φ-OTDR传感系统中的光学背景噪声,并显著提高传感系统性能.


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物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 66, No. 7 (2017) 070707  
专题: 光纤传感  
相位敏感型光时域反射传感系统光学背景噪声的  
∗
产生机理及其抑制方法  
张旭苹1)2) 张益昕1)2)† 王峰1)2) 单媛媛1) 孙振鉷1) 胡燕祝3)  
1)(南京大学光通信工程研究中心, 南京 210093)  
2)(南京大学近代声学教育部重点实验室, 南京 210093)  
3)(北京邮电大学自动化学院, 北京 100876)  
( 2017 年 1 月 23 日收到; 2017 年 3 月 26 日收到修改稿 )  
相位敏感型光时域反射 (Φ-OTDR) 传感系统具有响应速度快、灵敏度高等优点, 能够实现对微弱扰动的  
分布式检测, 在重大设施的入侵警戒、大型工程结构的健康监测等领域具有广阔应用前景. 然而, 与传统的  
OTDR 传感系统不同, Φ-OTDR 系统中存在着激光器中心频率漂移、偏振相关的噪声、光纤应变与干涉强度  
非线性对应关系引起的测量失真等光学背景噪声, 对有效信号的提取形成了不可忽视的干扰, 从而限制了  
Φ-OTDR 传感系统在实际应用环境下的传感性能. 本文对这些光学背景噪声的产生机理进行了深入分析, 并  
提出了相应的噪声抑制方法. 实验结果表明, 本文提出的方法可以有效抑制 Φ-OTDR 传感系统中的光学背景  
噪声, 并显著提高传感系统性能.  
关键词: 相位敏感型光时域反射, 光学背景噪声, 光源频漂, 偏振相关噪声  
PACS: 07.60.–j, 42.81.Wg, 42.25.Kb  
DOI: 10.7498/aps.66.070707  
传统 OTDR 传感系统的光学背景噪声, 主要包括  
由激光器中心频率漂移引起的曲线畸变, 由光纤局  
部双折射变化引起的偏振相关噪声 (PRN) 以及由  
于光纤应变与干涉强度非线性对应关系引起的测  
量失真. 这些光学背景噪声会显著降低系统的灵敏  
度和精确度, 从而限制 Φ-OTDR 传感系统的整体  
传感性能.  
本文基于 Φ-OTDR 传感系统的经典理论模型,  
对上述光学背景噪声的产生机理进行研究, 通过对  
经典模型的修正和实验的验证, 揭示产生这些光学  
背景噪声的物理本质. 并根据噪声的成因, 提出相  
应的噪声抑制方法, 以期实现对该类传感系统的性  
能提升, 克服其在工程应用中的技术瓶颈.  
1 引  
言
1993 年, 相位敏感型光时域反射计 (phase-  
sensitive optical time domain reflectometer, Φ-  
OTDR) 由 Taylor 和 Lee [1] 首次提出. 该传感系统  
通常采用 kHz 级别的窄线宽激光器作为光源, 通过  
检测传感光纤中瑞利背向散射 (RBS) 信号干涉引  
起的光功率波动来感知光纤所受到的外部扰动.  
Φ-OTDR 灵敏度极高 [2−4]、 测量响应速度  
快 [5−7] 且能够实现长距离全分布式传感 [8,9], 非  
常适合对微扰动事件的监测, 在大型建筑结构健康  
监测 [2]、重要场所的周界安防 [10] 等领域有着广泛  
的应用. 然而 Φ-OTDR 传感系统中存在着有别于  
∗
国家自然科学基金 (批准号: 61627816, 61540017, 61405090, 61307096) 和北京财政支持的 “城市地下基础设施的光纤检测平台”  
资助的课题.  
†
通信作者. E-mail:
© 2017 中国物理学会 Chinese Physical Society  
070707-1  
物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 66, No. 7 (2017) 070707  
由于这种散射点是由纤芯材料本身的特性引  
起的, 所以具有以下性质 [15]  
2 相位敏感型光时域反射计传感原理  
:
1) 散射点的位置在光纤中是随机分布的, 因  
此各个散射点产生的 RBS 信号的相位随机分布在  
[0, 2π]区间之内, 且其概率密度函数符合均匀分布;  
2) 各散射点的散射率是随机的, 因此各个散射  
点产生的 RBS 信号的强度也是随机分布的, 且其  
传统的光时域反射计 (OTDR) 一般采用线宽  
较宽的激光器作为光源, 通过向待测试光纤注入  
探测光脉冲并检测光纤中由光脉冲产生的 RBS 信  
号的强度, 实现对光纤衰减量的分布式测量 [11−14]  
.
在应用中人们发现, 若采用窄线宽激光器作为光  
源, 本应平滑的 OTDR 曲线会产生随机的幅度波  
动, 这一波动现象被称为相干衰落效应 [15,16], 其产  
生与否与光源的相干长度有关. 通常激光器产生的  
概率密度函数符合高斯分布.  
ଊ฾ᑢфА  
၌ѾᑀՔங
࠱
А  
探测光的相干长度L 可以由(1)式进行估算:  
c
λ2  
L =  
c
,
(1)  
∆λ  
其中 λ 为激光器的中心波长, ∆λ 为激光的光谱宽  
图 1 光纤中的散射点模型示意图  
Fig. 1. The model of the scattering points in the fiber.  
度 (以波长为单位), 相干长度 L 表示光源能够发  
c
对于在某一时刻回到接收端的 RBS 信号, 可  
以认为其是光纤中某一局部区域内散射点被探测  
光脉冲覆盖时产生的 RBS 信号的叠加. 在用数学  
模型对其进行描述时, 普遍做如下假设:  
1) 光纤中的探测光脉冲被认为是理想的单频  
光, 且不存在频率漂移问题;  
生干涉的最大光程差. 同一光源发出的激光, 若光  
程差在相干长度以内, 那么就必须考虑两者的干涉  
效应; 反之, 若光程差远远大于相干长度(一般取值  
为相干长度的 10 倍以上), 那么就不会产生干涉效  
应. 当 OTDR 系统采用窄线宽激光器作为光源时,  
光源的相干长度远大于探测光脉冲长度, 此时必须  
考虑脉冲产生的RBS信号间的干涉效应.  
2) 忽略偏振不匹配问题, 认为输入光在脉冲宽  
度以内偏振态近似保持一致 [17]  
;
在最初的 OTDR 应用中, 这种强度随机的起  
伏被认为是一种干扰正常测量的噪声 [15,16]. 但是  
进一步的研究发现: 当光源稳定且光纤不受扰动  
时, 光纤中返回的 RBS 信号将呈现稳定的干涉起  
伏模式, 每条光功率曲线上的起伏波动形状相同,  
不会随着时间而变化. 反之, 当光纤上某局部区域  
受到外部事件扰动时, 该处返回的 RBS 信号的干  
涉起伏模式将发生改变, 即光功率曲线上对应位置  
的起伏波动形状将产生变化. Φ-OTDR 就是基于  
RBS 信号干涉起伏模式对外界扰动敏感这一特性  
实现传感测量的一种新型传感系统, 该系统通常采  
用kHz 级别的窄线宽激光器作为光源, 实现对沿光  
纤分布的微弱扰动事件的连续分布式感测.  
3) 忽略光纤损耗.  
设注入传感光纤中的探测光脉冲在光纤中的  
空间长度为W, 探测脉冲前端进入待测光纤的时刻  
为0时刻. 假设光纤长度足够长时, 时刻t回到起始  
端的瑞利散射信号电场强度可以表示为 [18]  
N
∑
E(t) =  
E0ρi cos (2kxi − ω0t + φ0)  
i=1  
(
)
4xi − 2v t + W  
g
2W  
× rect  
,
(2)  
其中, E0 为探测脉冲的电场强度; ω0 为探测脉冲  
的角频率; φ0 为探测光的初始相位; v 为探测脉冲  
在待测光纤中的传播速度, v = c/n, 其中, c 表示  
g
g
真空中的光速, n 为光纤的折射率; k 是探测光在  
待测光纤中的波数, 有 k = 2πn/λ; N 表示待测光  
纤中的散射点总数, 散射点随机分布在整条光纤  
中, 并按与入射端的距离从近到远依次编号为1, 2,  
3, · · · , N; xi 和 ρi 分别表示光纤中第 i 个散射点的  
光纤中的瑞利散射来源于纤芯折射率的微观  
折射率波动. 从尺寸上来说, 这些折射率波动的大  
小远远小于入射光的波长, 所以可以近似地把这种  
折射率波动的位置看作是一个个空间上离散的 “散  
[15]  
射点” . 探测光脉冲在光纤中传播的同时, 脉冲  
位置和散射系数. rect(x) 表示矩形函数, 其取值为  
覆盖的大量散射点将独立地产生瑞利散射信号. 其  
中一部分散射光被光纤俘获, 能够沿光纤反向传  
输, 即如图 1 所示的RBS信号光.  
1, |x| 6 1/2,  
rect (x) =  
(3)  
0, else where.  
070707-2  

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