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分布式光纤振动传感技术及其重要安防应用

发布:guangxuequan    |    2017-04-10 13:06    阅读:1645
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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 [1]。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 [2]。

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 [3]。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 [3,4]。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 [5]。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 [6],至今仍为行之有效的解决方法。

分布式光纤振动传感的重要安防应用

分布式振动传感技术以其全分布式感知、灵敏度高、抗电磁干扰、隐蔽性好、定位精度高等优势,在长距离周界安防、油气管线安全监控、智能电网、铁路安全监控等领域得到了广泛应用。近年来,笔者所在的课题组也在相关领域做出了不少努力,并取得了一定的成效。

周界安防

分布式振动传感可以实现光纤沿线扰动信息的实时检测,在国境线以及核心区域的周界安防领域具有重要的应用前景。如何通过复杂扰动信号判断入侵类型,是周界安防领域迫切需要解决的关键问题。 课题组在研究中提出了基于频谱欧氏距离(EDFS)的快速智能模式识别方法,对扰动信号进行实时分析、识别 [7]。EDFS方法主要分为4个步骤:
(1)初步判断扰动位置,利用短时能量和平移差分对扰动位置的时间序列进行分析,提取出有效扰动数据;
(2)对上述有效扰动数据做快速傅里叶变换,并进行归一化,获得频域特征;
(3)重复实施多类扰动,进行上述两步处理,将最能体现同类扰动的频域特征作为参考模板,建立模板数据库;
(4)将扰动的待识别数据经过(1),(2)两步处理,获得的频域特征与(3)步骤建立的模板数据库进行比对,确定扰动类型。

分布式光纤振动传感的重要安防应用

车辆定位与跟踪技术

当前实时车辆定位与跟踪技术多采用全球定位系统(GPS)、无线射频识别(RFID)、超宽带无线通信(UWB)等。然而,这些传统技术需要在被跟踪车辆安装相应设备或磁卡,不便于管理和使用,易于损坏,隐蔽性差。2014年,课题组成功地将分布式振动传感系统用于园区车辆跟踪 [8]。它是利用环境扰动对光纤传输信息影响进行检测的,通过检测行驶车辆的扰动,获取车辆的位置、速度等信息。

铁路安全综合检测技术

高速铁路是国民经济大动脉和国家重要基础设施,是全面支撑“区域经济一体化” “一带一路” “制造强国”和“走出去”战略的基础保障,对我国经济社会发展、民生改善和国家安全起着不可替代的全局性支撑作用。
      随着铁路“速、密、重”快速发展,高速铁路轨道交通运行安全风险在不断加大,对运用高科技手段保安全的形势越显紧迫,铁路总公司盛光祖总经理在2016年中国铁路总公司工作会议上明确提出“深化重点领域科技攻关,加强铁路安全保障技术、装备运用维护技术”。
       因此,发展针对新一代高速铁路轨道交通系统的综合安全监测技术,对于确保铁路运输安全,支撑国家“十三五”发展战略全面实现,具有十分重要的现实意义和历史意义。项目中课题组通过运用Φ-OTDR和布里渊光时域反射计(BOTDR),可以实现对列车的行驶状态及铁路基础设施进行综合安全检测,为铁路安全提供了一种全新的分布式、全天候检测方法 [9]。
      在监控系统构架设计中,BOTDR主要针对应变和温度变化的检测,如供电电缆/通信光电缆异常温升和断线、边坡滑移等。Φ-OTDR技术则针对基于振动的安全检测,如列车脱轨、车体分离、中途停车、堑坡落石、非法施工、人员入侵等。

分布式光纤振动传感的未来发展趋势及展望

随着物联网技术不断发展,分布式振动传感的产业化进程逐步加快。诸多领域对分布式振动传感技术的需求愈加迫切的同时,也对系统性能提出了更高的要求,比如实现更大的检测范围、更高的响应带宽、更为精准的定位等。
      高速铁路、电力线、油气管线等大型基础设施通常长达几百、甚至几千公里,需要进行安全防范的距离非常长,这对分布式光纤传感系统的探测距离提出了更高的要求。然而,随着传感距离的逐步增加,探测光脉冲在光纤中的光功率不断衰减,信噪比随之下降。当光功率下降到一定程度后,难以进行信息正确的感知,这一距离即为系统的检测范围。
      显然,检测范围受到光功率的限制。掺铒光纤放大器(EDFA)发展后,被用于探测光的放大,提升传感范围。然而,受限于非线性效应,探测光功率不宜过大,传感范围的提升有限,且会引入放大的自发辐射(ASE)噪声。目前,最有效的解决探测脉冲光功率受限的方法是分布式放大技术,包括光纤拉曼放大(FRA)和光纤布里渊放大(FBA),可以使分布式光纤传感的距离达到上百公里。

车辆运行轨迹强度分布瀑布图
传感光缆沿路边的路牙石铺设,并用水泥固定。解调后的扰动信息首先进行动态频谱分析(DSFI),确定车辆扰动的频率范围,提升信噪比;之后进行二维数字平滑滤波,消除环境因素引起的“孤岛”噪声,便于车辆的识别和定位。(a)一辆车往返通过的瀑布图;(b)多辆车依次同向通过的瀑布图。从图中可以看出,车辆行驶的信号非常清晰,效果显著。

对于分布式光纤传感技术,系统的响应带宽受到传感范围的限制,传感范围越大,响应带宽越小。这是因为:探测脉冲的时间间隔不能小于光在光纤中的往返时间,脉冲重复频率受限。然而,基于振动的大型结构健康检测,对系统的传感范围和响应带宽均提出了较高的要求,如电力电缆的局部放电检测、高压油气管线的泄露检测等,都要求千赫至兆赫的系统响应带宽,这是当前系统技术发展的一个非常重要的关键技术难点。
      笔者课题组已经开始着手该领域的研究工作,通过在相邻探测脉冲之间插入多个频率调制脉冲的方式,提升脉冲重复频率和响应带宽,实现了10千米传感范围、0.5兆赫响应带宽的分布式振动检测,并提出了长度带宽积(LBW)的概念 [10]。

基于分布式光纤传感的铁路综合安全光纤检测技术

空间分辨直接决定了系统的定位精度和准确性。系统的空间分辨率和定位精度是由探测脉冲的时间尺度决定的。脉冲宽度越短,空间分辨率越佳,但是系统的信噪比越差,传感范围越小。
       近年来,分布式光纤传感技术空间分辨率由近百米优化至几米,均是采用减小脉冲宽度、利用放大技术提升信噪比的方式,未能打破脉冲宽度对空间分辨率的限制。在雷达领域,研究人员发现,雷达的定位精度并不是取决于脉冲宽度,而是取决于探测脉冲的频谱宽度。通过增大频谱宽度可以实现压缩脉冲、改善定位精度的目的,这即为脉冲压缩技术。
      课题组尝试将这一技术应用于分布式传感Φ-OTDR 中,获得了30 厘米的空间分辨率,首次将Φ-OTDR 的空间分辨率改善至亚米量级 [11],充分证实了该技术的可行性。

本文相关工作得到国家自然科学基金(61675216,61377062,61475165,61405227)、上海市科技创新基金(15XD1524500)、中国科学院创新基金(CXJJ-15Z006)和中国科学院重点部署项目的支持。该项技术《分布式光纤振动传感技术及其重要安防应用》获得2016 年上海市技术发明一等奖,其核心专利《分布式光纤传感器及信息解调方法,ZL201210099835.8》获第八届2016 年上海市发明创造专利奖二等奖。


来源:上海《科学》杂志2017年第2期。

 

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