【《Φ-OTDR系统探究的国内外文献综述》4600字】

Φ-OTDR系统研究的国内外文献综述1993年，德克萨斯Ａ＆Ｍ大学Taylor等首次提出基于瑞利后向散射光和应用超窄线宽激光器的光时域反射计，并将该技术应用在振动信号检测中。Φ-OTDR与传统OTDR结构类似，但是Φ-OTDR系统的光源是超窄线宽的激光器，且Φ-OTDR利用RBS之间的相干衰落效应进行传感测量。当光纤受到外界扰动时，扰动位置处的光纤将产生形变，其折射率和长度均会发生变化，该位置处产生的RBS的幅度和相位将随之发生变化，通过对扰动事件前后的瑞利散射曲线进行分析，即可实现对动态扰动事件的探测。与基于其他散射原理的分布式光纤振动传感器相比，Φ-OTDR具有以下特点：探测灵敏度极高，适用于微弱扰动事件的检测以及响应速度快，适用于动态扰动事件的检测。主要基于以上两个优点，Φ-OTDR非常适用于检测微弱振动信号，在大型基础设施的安全监测等方面具有很大的应用潜力。近年来Φ-OTDR的主要研宄热点主要集中在以下几个方面：1）提高系统的频率响应范围Φ-OTDR系统的频率响应范围由探测脉冲的重复周期和传感距离决定。探测脉冲的重复周期必须要大于等于探测脉冲在传感光纤中来回一次所需的传输时间。相当于1km的普通单模光纤，不采用其他复用技术，Φ-OTDR系统最高可探测的频率为50kHz。为了提高传感系统的频率响应范围，研究者尝试把Φ-OTDR和其他类型的光纤传感机理以及时/频分复用技术相结合，获得比单一传感技术更加优秀的性能。2010年握太华大学鲍晓毅课题组提出基于频分复用的Φ-OTDR传感系统，利用不同频的双脉冲作为探测脉冲，并利用移动平均和移动差分的信号处理方式，在1.1km长的传感光纤上实现10m的空间分辨率和8kHz的频率响应。同年，该组还提出基于时分复用技术的Φ-OTDR，在680m长的传感范围内实现1m的空间分辨率和0.6MHz的频率响应。2016上海光机所潘政清课题组提出基于频分复用技术的多脉冲Φ-OTDR系统，在10km传感长度上，可探测的最高频率为20kHz。此外，研究者们提出将Φ-OTDR和MZI融合，利用Φ-OTDR获取扰动事件的位置信息，同时利用干涉仪结构得到扰动事件的频域信息。干涉仪传感器可探测的频率范围仅受到光电探测器的带宽限制，因此利用干涉仪结构来辅助Φ-OTDR振动事件的频率信息，可以大大提高Φ-OTDR传感系统的频率响应范围。2013年鲍晓毅课题组提出Φ-OTDR和MZI融合的传感结构，最终实现1.064km传感范围内，5m的空间分辨率和3MHz的最大探测频率。之后，该课题组利用宽窄脉冲对的融合结构，并结合相干检测技术，在1.1km的传感光纤上实现5m空间分辨率和6.3MHz的最高频率响应。2017南京大学潘政清课题组提出单端MZI和Φ-OTDR融合的传感结构，可探测的最高频率响应为1.2MHz。成员年份主要内容主要成果鲍晓毅2010频分复用Φ-OTDR传感系统1.1km长的传感光纤上实现10m的空间分辨率和8kHz的频率响应2013相干检测技术在1.1km的传感光纤上实现5m空间分辨率和6.3MHz的最高频率响应潘政清2016频分复用技术的多脉冲Φ-OTDR系统在10km传感长度上可探测的最高频率为20kHz。2017单端MZI和Φ-OTDR结合探测的最高频率响应为1.2MHz表1SEQ表\*ARABIC\s11针对提升频率响应目前的主要研究成果2）相位信息的解调技术Φ-OTDR利用散射光的强度信息能够对动态扰动事件进行快速响应及定位，但是由于脉冲内散射点的随机分布，致使接收到的散射信号强度与光纤上受到的动态应变没有确定关系，无法通过散射信号的幅度解调计算出光纤受到的动态应变值。但是动态应变会引起光纤折射率的变化，进而引起瑞利散射信号相位的线性变化，通过检测探测光相位的变化就可以实现对扰动事件的定量测量。J.P.Dakin和C.Lamb首次提出在Φ-OTDR系统中利用脉冲对作为探测脉冲，两个脉冲间存在一定频率差，而这个拍频的相位变化与光纤上任意区域内受到的应变存在线性关系，可实现振动信号的定量测量。2014年，A.E.Alekseev等人利用三个连续的双脉冲对序列作为探测脉冲，这三组脉冲对具有不同相对相位值，外界的扰动会使得彼此之间预设的相位差发生改变，通过提取相位的变化就可以定量测量扰动事件，该系统在2km的传感光纤上的空间分辨率可达到5m，能够探测的周期性扰动事件频率为230Hz，且相位敏感度为0.01rad。2017年，北京大学张敏基于同一原理提出双脉冲Φ-OTDR系统，在500m传感光纤上实现20Hz到25kHz的振动信号定量测量。2018年，南京大学王峰等人提出将同频双脉冲与外差探测结构结合，并在Φ-OTDR系统中嵌入极弱反射率光纤布拉格光栅阵列，以此获得振动信号的相位信息。2000年，R.Posey等人提出在Φ-OTDR系统中引入非平衡MZI结构，获得传感光纤上任意两个独立的光纤段所产生的瑞利散射光的相对相位。探测脉冲产生的RBS注入到非平衡MZI结构中，然后由3X3耦合器接收信号，获得三路具有固定相移的信号，通过相位解调算法就可以获得光纤上任意区域内的相位变化，该方案在400m的传感光纤上实现2kHz的动态应变的定量测量。随后，A.Masoudi和M.Farhadiroushan分别在这个方案基础上进行改进，A.Masoudi等人在1km的传感光纤实现2m的空间分辨率，应变和振动频率的探测范围分别为2με和5kHz。山东科学院激光研究所王成课题组提出基于3X3藕合器的相位解调方法，并把Φ-OTDR引入到水下振动测量的领域。图173X32011年上海光机所蔡海文课题组对相干信号进行数字域傅里叶积分，以此解调应变引起的相位变化，实现应变的定量测量。此外，研究者们还提出相位载波生成原理(PGC),IQ解调以及Hilbert变化等相位解调的方法，来获得光纤沿线的相位信息，以此实现动态应变的定量测量。2015年，山东科学院激光研究所王成组将UWFBG引入到Φ-OTDR系统中，用UWFBG产生的稳定的、可控的反射光来代替功率较弱的散射光信号，提高传感系统的信噪比以及可测量的最小应变测量值，该系统利用干涉结构获得相位信息，可探测的频率范围为450Hz到600Hz。同年，南京大学张旭苹课题组也提出将UWFBG和Φ-OTDR系统相融合，并使用激光器主动扫频的方案来进行相位解调，在5km长的传感光纤上实现nε等级的动态应变检测。成员年份主要内容主要成果R.Posey2000非平衡MZI结构在400m的传感光纤上实现2kHz的动态应变的定量测量蔡海文2011数字域傅里叶积分实现应变的定量测量A.E.Alekseev2014连续的双脉冲对序列作为探测脉冲在2km的传感光纤上的空间分辨率可达到5m，探测的周期性扰动事件频率为230Hz，且相位敏感度为0.01rad王成组2015UWFBG引入到Φ-OTDR系统可探测的频率范围为450Hz到600Hz张旭苹2015提出将UWFBG和Φ-OTDR系统相融合在5km长的传感光纤上实现nε等级的动态应变检测张敏2017双脉冲Φ-OTDR系统500m传感光纤上实现20Hz到25kHz的振动信号定量测量王峰2018同频双脉冲与外差探测结构结合能够获取振动信号的相位信息表1SEQ表\*ARABIC\s12针对解调技术目前的主要研究成果3）提高系统的传感距离瑞利散射信号的功率非常弱，比如前向传输的探测脉冲光功率要低50dB左右，这就限制了Φ-OTDR系统的传感距离。研宄者开展了诸多研宄以提升Φ-OTDR传感距离。2009年电子科技大学饶云江组提出在Φ-OTDR传感系统中利用拉曼分布式放大技术提升传感范围，拉曼分布式放大技术可以同时补偿探测脉冲和后向散射光的衰减损耗，有效克服基于EDFA等传统放大存在的问题，最终实现74km的传感长度上20m的空间分辨率。此后，该组将外差探测Φ-OTDR与一阶双边拉曼放大结合，实现131.5km的传感距离，空间分辨率为8m，且可探测的最高频率为375Hz。同年，该组提出基于布里渊放大和拉曼放大结合的混合放大结构，进一步提升Φ-OTDR系统的传感距离，实验获得传感距离为175km，空间分辨率25m。H.F.Martins等人通过一阶拉曼放大将Φ-OTDR系统的传感距离提升至125km，且空间分辨率为10m，可探测的最高频率为250Hz。之后该课题组又在Φ-OTDR系统中设计了超长拉曼激光器谐振腔，在125km传感范围内实现10m的空间分辨率，最高可探测的振动频率为380Hz。4）降低相干衰落噪声以及偏振噪声影响Φ-OTDR系统的RBS相干叠加产生的散射光功率存在较大的随机波动，这种现象称为相干瑞利噪声。散射点的位置和散射率都是随机分布的，导致RBs的强度起伏同样具有随机性，但是这种强度起伏相对稳定。CRN会引起光纤某些位置处的信号功率衰落，致使传感器无法对这一区域进行探测，即形成探测盲区。为了消除相干衰落噪声的影响，2012年，上海光机所潘政清课题组提出相位控制双脉冲的方案，两个脉冲间的相位差为兀，两个脉冲产生的干涉曲线不一致，产生的干涉衰落点也不同，因此可以在一定程度上消除CRN的影响。次年，该组在此基础上提出相控多频率的脉冲光，不同频率的脉冲光产生的衰落点不一致，综合各个频率下获得的瑞利曲线，就可以消除干涉衰落的影响。当外界的扰动事件通过挤压、弯曲或扭转作用在光纤上时，光纤局部双折射特性将发生改变，探测脉冲经过这个区域时偏振态会受到调制，使得之后的偏振态的演化规律也发生变化，导致RBS的偏振态演化规律改变，这就是PRN。PRN将会叠加在这一区域之后的瑞利散射信号中，导致Φ-OTDR无法同时探测多个扰动事件。为抑制这种偏振衰落，2005年TexasA&M大学H.F.Taylor将偏振分集探测引入到Φ-OTDR系统中，利用偏振态正交的两路信号实现对扰动事件的监测，降低漏报率。2008年中国电子科技大学饶云江课题组同时测量POTDR的偏振态和Φ-OTDR的相位信息，综合鉴别扰动事件。2011年握太华大学鲍晓毅课题组提出全保偏的Φ-OTDR结构，用来抑制偏振衰落的影响，200m传感范围内的空间分辨率为1m，且频率响应提高到2.25kHz，但保偏光器件成本较高，不适用于工程应用。2016年该组在普通相干型Φ-OTDR结构中引入偏振分集探测，用以消除偏振衰落的影响。2016年南京大学张旭苹课题组提出基于正交偏振态脉冲对的Φ-OTDR传感系统，成功分离扭曲和拉伸两种事件，有效抑制PRN对系统性能的影响。成员年份主要内容主要成果H.F.Taylor2005偏振分集探测引入到Φ-OTDR系统降低漏报率饶云江2008测量POTDR的偏振态和Φ-OTDR的相位信息综合鉴别扰动事件鲍晓毅2011提出全保偏的Φ-OTDR结构200m传感范围内的空间分辨率为1m，且频率响应提高到2.25kHz张旭苹2016基于正交偏振态脉冲对的Φ-OTDR传感系统成功分离扭曲和拉伸两种事件，有效抑制PRN对系统性能的影响表1SEQ表\*ARABIC\s13针对降低噪声目前的主要研究成果目前，影响Φ-OTDR系统的主要因素有一下几点：(1)、传感光纤中的光相位的随机变化；(2)、传感光纤中的光偏振态的随机变化；(3)光源的功率稳定性问题；(4)光源的频率漂移问题；(5)、光源的单色性问题。因为光偏振态和光相位的随机变化将引起相应后向瑞利散射信号振幅的变化，这可能会被当作振动所引起的变化，从而影响系统的定位准确性。又由于Φ-OTDR系统是一种相干检测系统，这就要求激光源有稳定的频率输出同时又有很好的单色性。而Φ-OTDR系统保证定位精度的一个重要的因素就是窄线宽，较窄的线宽可以在提高传感光纤的距离的同时加强相干强度，以获得更高的检测敏感度，而频率漂移将会影响Φ-OTDR系统中瑞利散射信号的幅值变化，严重影响定位精度甚至无法检测到振动。因而如何消除或减小上述因素对Φ-OTDR系统的影响，一直是目前研究的重点。参考文献[1]高桥清，庄庆德.展望21世纪新技术革命中的传感器[J].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