1、 D-POTDR 分布式光纤振动传感器 摘要 :提出一种双 偏振 态探测结合差分分析的分布式光纤振动传感方法。传感光纤中注入脉冲线偏振光，利用光时域反射计对后向瑞利散射光的两正交偏振态进行同时探测，通过两偏振态差分分析，获得外部振动扰动的分布式探测。实验结果表明，该方法对振动扰动非常敏感，定位精度高，而且结构简单，有非常高的工程 实用价值 。 关键词 :振动； 分布式光纤传感 ； 探测定位 D - POTDR distributed optical fiber vibration sensor Abstract: This paper proposes a double polarizatio
2、n detection according to the distributed optical fiber vibration sensing method of analysis of the difference. Linear polarized injection pulse in the sensing fiber, using optical time domain reflectometer to backward Rayleigh scattering light of two orthogonal polarization detection at the same tim
3、e, through the analysis of the two polarization difference, distributed to obtain external vibration disturbance detection. The experimental results show that the method is sensitive to vibration disturbance, high positioning accuracy, and simple structure, has very high engineering practical value.
4、 Key words: Vibration; The distributed optical fiber sensing; Detection of positioning 0 引言 目前安防系统主要使用 传统的 摄像头和红外线等传感器来进行监视 1， 随着通信行业的发展，光纤探测日益受到人们的青睐。 一般情况下 ,当光缆线路出现故障时 ,必需借助光时域反射计 2 ( Optical Time Domain Reflectometer, OTDR)来进行定位测试 。 但是传统的OTDR仅能测量光纤线路所产生的衰减 ,即只能在光缆已经遭到破坏后使用 ,而在光纤线路受到微扰时 ， 监测效果并不理想
5、 ,不能达到提前预警的目的 。利用 偏振态对光纤线路的状态很敏感 的性质，结合差分探测处理方法，制作 偏振光时域反射计 3(Polarization Optical Time Domain Reflectometer， POTDR),可以 精准灵敏地 检测出光纤线路是否受到微扰 ， 有助于最低限度避免光缆遭到破坏 。 本文主要在 POTDR分布式光纤振动传感系统的基础上，运用差分的信号处理办法，对偏振态的变化进行检测，并通过软件进行信号采集和图形显示， 实现 了对 沿光纤轴向分布振动源的精确定位。 实验显示了这种系统能够实现对沿光纤轴向分布 的 微弱振动源的 定位。 采用的 方案简单、可靠，易
6、于实施和维护，适合于长距离敷设传感光纤所感知的微弱振动信号探测与精确定位。 1 D-POTDR分布式光纤振动 探测原理 外界因素改变光的偏振特性，可通过检测光偏振态的变化反映被测参量 4。 因此可以利用光偏振态来测量 外界 振动 。 当光纤振动时，光纤中特定方向的折射率会发生变化，产生感生双折射效应，从而使得入射到振动光纤中的光的偏振态发生改变，而后向瑞利散射光会保持散射点的偏振态不变，这样通过对比振动前 与振动后的两偏振态的光强变化，就能分析出 扰动点的位置，实现分布式振动传感 5。 根据后向散射光原理，当 脉冲光入射进光纤，经起偏器起偏为偏振光 注入到传感光纤后 ，会在传感光纤中产生后向瑞
7、利散射光 6。后向瑞利散射由环行器进入偏振分束器，分成偏振态正交的两路偏振光， 分别用两只光电探测器进行光电转换，然后对两探测信号进行差分运算与放大处理，并由 A/D转换器对信号进行采样，送入到嵌入式计算机中进行数据分析、计算， 最后通过软件界面显示出波形，观察波形图就可以对振动点进行定位。 2 D-POTDR实验系统组成 图 1 D-P0TDR分布式光纤振动传感系统的总体结构示意图 实验系统结构如图 1 所示。主要由低压电源、脉冲激光器、偏振控制器、起偏器、光环行器、偏振分束器、光电探测器、 A/D 采样卡、光纤和 PC 终端机组成。 其中低压电源用来给系统供电，脉冲激光器用来发射初始光脉冲
8、信号，偏振控制器使得 光信号最大限 度 地 输入探测系统， 以 降低起偏以后的光功率损失 ，起偏器用来将输入的光转变为偏振光，光环形器用来 引导反向传输光从另一端口输出，从而与输入端口隔离 ， 传感光纤用来感知外界振动， 偏振分束器用来对后向散射信号进行偏振分离，进而分析传输光偏振态的变化，光电探测器用来将 光信号转换为电信号 ， A/D 采集卡完成数据采集， PC 机接收来自采集卡的信息，通过软件进行数据处理，在显示器上实现结果显示。 通过显示器上显示的波形，可以确定振动点的位置。 实验采用 窄线宽光纤激光器作光源，中心波长为 1550nm，脉冲宽度 10ns,定位精度为 10m,光纤长度
9、15000m,卡采频率 100MHz。 3 关键技术 脉冲激光器 偏振控制器 偏振分束器 光 电 探测器 差分 /放大 A/D 采样和数据处理 起偏器 传感光纤 PC 光 电 探测器 我们要进行测试的信号，即后向 散射光 ，由于其 功率较低 ，且 光信号 的 偏振态易受外界影响 ，在采取措施以尽量减少这些因素的影响下，对信号处理的方法的选取显得至关重要。 利用差分探测的方法，可以显著地提高系统的灵敏度，这在工程和实验上都具有着重要的意义。 其原理 是 ： 被探测光信号输入到偏振分束器 （ PBS） ， PBS输出的两路光信号分别输入到两个 光电探测器的光输入端口， 进行光电转换后相减，得到外界
10、微扰造成的两路光信号的能量差。如图 2所示。 图 2 偏振差分原理图 P1、 P2为两个光电探测器， 当外界有 两路光信号分别输入 两个光输入端口后，两光信号分别在内部转换为电信号 I1 和 I2 后相减，在BD 的输出端口得出反应两路光信号光强差的电信号。 Iout为输出信号。 偏振分束器输出的示例图像和差分放大后的图像分别如图 3、 4。 1 I 1I 2I out = I 1 - I 2P 1P 21图 3 PBS 输出的信号 图 4 偏振差分后的信号 我们 可以对比一下单光输入端口光电探测器 和双平衡光电探测器得到的结果（图 5、 6）： 图 5 单光电探测器输出信号 图 6 双光电探
11、测器输出结果 综上可以看出，偏振差分处理方法有着如下显著的优点：它 利用平衡双光电探测器 代替了以往 POTDR 系统中常用的单光输入端口光电探测器，可充分利用瑞利散射光信号中两正交偏振光信号的光强差；与单 探测器 方法相比避免了测量盲点，提高了系统的灵 敏度。 4 实验 方案及结果 分析 实验时， 将附有保护皮套的光纤适当地缠绕在圆柱形的钢丝网上 ， 采用功放喇叭与函数发生器一起来模拟振动源，函数信号发生器输出具有一定频率的电信号，将此信号输入功放喇叭，将一段模拟受外界振动影响的光纤放置于喇叭上，让这段光纤随着喇叭的上下振动而振动，达到模拟振动源的目的。 在没有震动时和施加振动后得到的结果如
12、下： (1)无振动情况下，利用 POTDR软件测得的波形如图 7所示（横坐标为光纤长度，纵坐标为信号幅度（以字节为单位）： 图 7 无振动时的波形图 可以看到， 无振动时显示出的是一段幅度 变化趋势 基本不变的波形，图中 也 不存在 明显的突变位置。由于 偏振态 对环境变化有敏锐的反应，幅度会发生波动；另外 由于光纤存在 一定程度的传输损耗，幅度呈现出 微弱的下降趋势。 图中约 13875m 的位置为光纤末端。 （ 2）单点振动时，得到波形如下图 8 所示（横纵坐标意义同上）： 图 8 单点振动时的波形图 可以看出，在 1500m 左右波形出现了一个断层，信号幅度发生了变化幅度由大到小的突变；
13、这样我们可以基本上定位到 1500m 处的振动。通过多次对不同点进行振动测试，发现对于单点振动的情况，基本每次都能够准确定位。 改变测量平均次数，结果表明随着平均次数的减小，振动点对波形的影响越不明显，当平均次数降到 100 次以下，就基本分辨不出振动； 而 平均次数越多，突变的趋势越明显，越容易进行振动定位。 考虑原因是光源激光器发出的光功率在过小（ mw 量级），虽然经过电路上的放大处理，但是电路上的处理是在探测到光信号以后进行放大，在放大有用信号的同时也放大了噪声信号，由此导致以上结果。我们采用放大激光光功率的方法来提高测量灵敏度。 经过实验，将得到的图像与上图对比，可以看出放大以后的灵
14、敏度显著提高，产生明显效果的平均次数降低，更适应于实时监测。我们也试验了两点振动， 结果发现，激光功率放大 后振动点处的幅度变化更明显。但有时也还 是不能明显定位到第二个振动点，所以放大光功率不能从根本上解决两点同时定位的灵敏度。 综上，我们可以看到，用偏振差分探测的方法可实现单振动点的准确定位，对于分辨率和定位精度等参数的确定，则与光脉冲宽度、采集卡采样率相关，可以做进一步讨论；该系统对多点的定位的有一定的帮助，但是还需要进一步提高其灵敏度。 5 结束语 本 文对 偏振差分探测的 (D-OTDR)分布式光纤振动传感 系统进行了原理阐述 ，系统介绍和关键技术的分析，并开展了扰动实验， 最后得到
15、了光纤受到振动前后的波形图，由图可以对振动点进行较高灵敏度的定位。 该系统可以检测出传感光缆线路 是否受到微扰，能够提供预警，可用于重大安全设施和通信链路的安全监测和预警，有着较高的应用价值。另外， 由于本系统使用的激光器波长为通信波长 ,只能使用备纤监测方式 ,若 换成非通信波长的激光器 ,就可以在不影响通信的前提下进行光缆在线监测 ,这将是一个极具前景的应用方式 7。 参考文献 ： 1杨斌 ,皋魏 ,席刚 .fai 一 OTDR 分布式光纤传感系统的关键技术研究 J.光通信研究 ,2012,172(3):19-22 2SO V C Y,JIANG J W,CARGILL J A,etal.
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