基于瑞利散射的全分布光纖傳感技術(shù)

..基于瑞利散射的分布式光纖傳感技術(shù)瑞利散射是入射光與介質(zhì)中的微觀粒子發(fā)生彈性碰撞引起的，散射光的頻率與入射光的頻率一樣。一般采用光時(shí)域反射〔OTDR〕構(gòu)造來實(shí)現(xiàn)被測(cè)量的空間定位。瑞利散射的原理是沿光纖傳播的光在纖芯各點(diǎn)都會(huì)有損耗，一局部光沿著與光纖傳播方向成180°的方向散射，返回光源。利用分析光纖中后向散射光的方法測(cè)量因散射、吸收等原因產(chǎn)生的光纖傳輸損耗和各種構(gòu)造缺陷引起的構(gòu)造性損耗，通過顯示損耗與光纖長(zhǎng)度的關(guān)系來檢測(cè)外界信號(hào)場(chǎng)分布于光纖上的擾動(dòng)信息。由于瑞利散射屬于本征損耗，因此可以作為應(yīng)變場(chǎng)檢測(cè)參量的信息載體，提供沿光路全程的單值連續(xù)檢測(cè)信號(hào)。利用光時(shí)域反射〔OTDR〕原理來實(shí)現(xiàn)對(duì)空間分布的溫度的測(cè)量。當(dāng)窄帶光脈沖被注入到光纖中去時(shí)，該系統(tǒng)通過測(cè)后向散射光強(qiáng)隨時(shí)間變化的關(guān)系來檢查光纖的連續(xù)性并測(cè)出其衰減。入射光經(jīng)背向散射返回到光纖入射端所需的時(shí)間為t，激光脈沖在光纖中所走過的路程為2L=v*t。v是光在光纖中傳播的速度，v=c/n，c為真空中的光速，n為光纖的折射率。在t時(shí)刻測(cè)量的是離光纖入射端距離為L(zhǎng)處局域的背向散射光。采用OTDR技術(shù)，可以確定光纖處的損耗，光纖故障點(diǎn)、斷點(diǎn)的位置?？梢钥闯觯诠饫w背向散射譜分布圖中，激發(fā)線兩側(cè)的頻譜是成對(duì)出現(xiàn)的。在低頻一側(cè)頻率為的散射光為斯托克斯光Stokes；在高頻的一側(cè)頻率為的散射光為反斯托克斯光anti-Stoke，它們同時(shí)包含在拉曼散射和布里淵散射譜中。光纖中的散射光譜基于瑞利散射的光纖傳感技術(shù)原理瑞利散射主要特點(diǎn)有：瑞利散射屬于彈性散射，不改變光波的頻率，即瑞利散射光與入射光具有一樣的波長(zhǎng)。散射光強(qiáng)與入射光波長(zhǎng)的四次方成反比，即上式說明，入射光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，瑞利散射光的強(qiáng)度越小。散射光強(qiáng)隨觀察方向而變，在不同的觀察方向上，散射光強(qiáng)不同，可表示為其中，為入射光方向與散射光方向的夾角；是方向上的散射光強(qiáng)。散射光具有偏振性，其偏振程度取決于散射光與入射光的夾角。自然光入射到各項(xiàng)同性介質(zhì)中，在垂直于入射方向上的散射光是線偏振光，在原入射光及其反方向上，散射光仍是自然光，在其他方向上是局部偏振光，偏振程度與角有關(guān)。對(duì)于光纖中脈寬為W的脈沖光，它的瑞利散射功率PR為當(dāng)光波在光纖中向前傳輸時(shí)，會(huì)在光纖沿線不斷產(chǎn)生背向的瑞利散射光，根據(jù)式(3-3)可知，這些散射光的功率與引起散射的光波功率成正比。由于光纖中存在損耗，光波在光纖中傳播時(shí)能量會(huì)不斷衰減，因此光纖中不同位置處產(chǎn)生的瑞利散射信號(hào)便攜帶有光纖沿線的損耗信息。另外，由于瑞利散射發(fā)生時(shí)會(huì)保持散射前光波的偏振態(tài)，所以瑞利散射信號(hào)同時(shí)包含光波偏振態(tài)的信息。因此，當(dāng)瑞利散射光返回到光纖入射端后，通過檢測(cè)瑞利散射信號(hào)的功率、偏振態(tài)等信息，可對(duì)外部因素作用后光纖中出現(xiàn)的缺陷等現(xiàn)象進(jìn)展探測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)作用在光纖上的相關(guān)參量如壓力、彎曲等的傳感。光時(shí)域反射〔OTDR〕技術(shù)OTDR原理光時(shí)域反射技術(shù)用于檢測(cè)光纖的損耗特性，它是檢測(cè)光纖衰減、斷裂和進(jìn)展空間故障定位的有力手段，同時(shí)也是全分布光纖傳感技術(shù)的根底。OTDR的工作原理圖如下圖，將一束窄的探測(cè)脈沖光通過雙向耦合器注入光纖中，脈沖光在光纖中向前傳輸時(shí)會(huì)不斷產(chǎn)生背向瑞利散射光，背向瑞利散射光通過該雙向耦合器耦合到光電檢測(cè)器中。設(shè)從光纖發(fā)射端面發(fā)出脈沖光，到接收到該脈沖光在光纖中L處產(chǎn)生的瑞利散射光所需要的時(shí)間為t，那么在t時(shí)間，光波從發(fā)射端至該位置往返傳播了一次，因此該位置距起始端的距離L為其中，v是光在光纖中的傳播速度；t為從發(fā)出脈沖光到接收到某位置產(chǎn)生的瑞利散射光所需要的時(shí)間。設(shè)光纖的衰減系數(shù)為α，那么脈沖光傳播到光纖L位置處時(shí)的峰值的功率為根據(jù)式〔3-3〕可知在該處產(chǎn)生的瑞利散射功率為當(dāng)它返回到光電探測(cè)器時(shí)，其功率變?yōu)橛墒健?-7〕可見，OTDR得到的光纖沿線的瑞利散射曲線為一條指數(shù)衰減的曲線，該曲線表示出了光纖沿線的損耗情況。當(dāng)脈沖光在光纖中傳播的過程中遇到裂紋、斷點(diǎn)、接頭、彎曲、端點(diǎn)等情況時(shí)，脈沖光產(chǎn)生一個(gè)突變的反射或衰減，根據(jù)式〔3-4〕可以獲得該點(diǎn)的位置，因此可實(shí)現(xiàn)對(duì)這些狀況的檢測(cè)。圖3-3顯示了光纖上典型的事件點(diǎn)對(duì)應(yīng)的OTDR曲線。圖中縱軸采用對(duì)數(shù)單位，因此OTDR顯示的曲線為直線。OTDR探測(cè)曲線OTDR系統(tǒng)OTDR的系統(tǒng)構(gòu)造如下列圖所示，脈沖發(fā)生器驅(qū)動(dòng)光源產(chǎn)生探測(cè)光脈沖，探測(cè)光脈沖經(jīng)定向耦合器注入被測(cè)光纖，其在被測(cè)光纖中的背向瑞利散射和反射信號(hào)經(jīng)定向耦合器輸出被光電探測(cè)器接收，光電探測(cè)器輸出的電流信號(hào)經(jīng)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換后經(jīng)數(shù)字信號(hào)處理得到探測(cè)曲線。信號(hào)控制及處理單元設(shè)有時(shí)鐘，對(duì)脈沖發(fā)生器和模數(shù)轉(zhuǎn)換單元進(jìn)展觸發(fā)和計(jì)時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖各個(gè)位置散射點(diǎn)的定位。另外，通過對(duì)接收到的電信號(hào)進(jìn)展處理可得到各個(gè)散射位置處的功率信息。OTDR系統(tǒng)構(gòu)造圖由于OTDR直接探測(cè)背向瑞利散光的規(guī)律，光源輸出功率越高，背向散射信號(hào)就越強(qiáng)，探測(cè)距離越大。因此，OTDR通常使用帶寬為數(shù)十納米的寬帶光源。這一方面是為了獲得高的測(cè)量動(dòng)態(tài)圍，另一方面是為了防止窄線寬的高功率激光脈沖在光纖中傳輸引起的非線性效應(yīng)對(duì)OTDR性能的影響。OTDR的性能指標(biāo)OTDR的性能指標(biāo)包括動(dòng)態(tài)圍、空間分辨率、測(cè)量盲區(qū)、工作波長(zhǎng)、采樣點(diǎn)、存儲(chǔ)空間、質(zhì)量、體積等。作為全分布式傳感器，其主要性能指標(biāo)有動(dòng)態(tài)圍、空間分辨率和測(cè)量盲區(qū)。動(dòng)態(tài)圍動(dòng)態(tài)圍定義為初始背向散射功率和噪聲規(guī)律之差，單位為對(duì)數(shù)單位〔dB〕。動(dòng)態(tài)圍是OTDR非常重要的一個(gè)參數(shù)，通常用它來對(duì)OTDR性能進(jìn)展分類。它說明了可以測(cè)量的最大光纖損耗信息，直接決定了可測(cè)光纖的長(zhǎng)度?？臻g分辨率空間分辨率顯示了儀器能分辨兩個(gè)相鄰事件的能力，影響這定位精度和時(shí)間識(shí)別的準(zhǔn)確性。對(duì)OTDR而言，空間分辨率通常定義為事件反射峰功率的10%~90%這段曲線對(duì)應(yīng)的距離。空間分辨率通常由探測(cè)光脈沖寬度決定，假設(shè)探測(cè)光脈沖寬度為W，那么OTDR的理論空間分辨率,其中v為探測(cè)光在光纖中的傳播速度。雖然理論上空間分辨率由探測(cè)光脈沖寬度決定，但實(shí)際上系統(tǒng)的采樣率對(duì)空間分辨率也有重要影響。只有在采樣率對(duì)空間分辨率也有重要影響。只有在采樣率足夠高、采樣點(diǎn)足夠密集的條件下，才能獲得理論的空間分辨率。測(cè)量盲區(qū)測(cè)量盲區(qū)指的是由于高強(qiáng)度反射事件導(dǎo)致OTDR的探測(cè)器飽和后，探測(cè)器從反射事件開場(chǎng)到再次恢復(fù)正常讀取光信號(hào)時(shí)所持續(xù)的時(shí)間，也可表示為OTDR能夠正常探測(cè)兩次事件的最小距離間隔。OTDR的應(yīng)用OTDR是最早的全分布式光纖傳感技術(shù)，也是全分布式光纖傳感技術(shù)的工作根底，它主要用來測(cè)量彎曲、接續(xù)、損壞等產(chǎn)生的損耗沿光纖的空間分布，也可用來進(jìn)展光纖斷裂等故障的空間定位。其具體的應(yīng)用包括一下幾點(diǎn)。通信光纖的性能表征和光通信線路故障定位對(duì)通信光纖的性能表征和光信通信線路故障定位是OTDR最早也是目前為止最重要的應(yīng)用。另外，光纜線路的維護(hù)和故障的及時(shí)修復(fù)也離不開OTDR。隨著光纖到戶〔FTTH〕的開展，利用OTDR可以及時(shí)判斷光纖到戶情況及各個(gè)連接點(diǎn)的連接效果，它對(duì)線路的安裝和監(jiān)測(cè)起著至關(guān)重要的作用。圖3-6顯示了OTDR對(duì)FTTH的用戶端進(jìn)展監(jiān)測(cè)的結(jié)果。一般光纖入戶端存在強(qiáng)的端面反射，通過反射端的個(gè)數(shù)及線路的衰減信息可以判斷由分束器分出的各路線路的連接情況。OTDR在FTTH監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用大型構(gòu)造的平安安康監(jiān)測(cè)OTDR還被用于大型構(gòu)造如大廈、橋梁、公路等的平安安康監(jiān)測(cè)。其主要是利用建筑的應(yīng)力/應(yīng)變導(dǎo)致光纖微彎而使接收到的該處的瑞利散射功率發(fā)生改變，于是推斷出該處可能發(fā)生的事件。下列圖顯示了OTDR在建筑物裂縫監(jiān)測(cè)中的一種應(yīng)用。講光纖嵌入到混凝土中，建構(gòu)造裂縫導(dǎo)致光纖斷裂，斷裂出光纖端面產(chǎn)生強(qiáng)的端面反射，于是，通過OTDR可以找到裂縫的具體位置。由于斷點(diǎn)會(huì)完全中斷光波向前的傳輸，因此通過使用耦合器將一局部探測(cè)光耦合出來直接跨過被測(cè)對(duì)象，并接入下一個(gè)探測(cè)節(jié)點(diǎn)，可防止有斷點(diǎn)導(dǎo)致的探測(cè)光波中斷。下列圖中串聯(lián)了多個(gè)這樣的構(gòu)造，極增加了監(jiān)測(cè)的斷點(diǎn)數(shù)量。OTDR在裂縫監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用相干光時(shí)域反射〔COTDR〕技術(shù)雖然利用OTDR在一定程度上能對(duì)通信線路進(jìn)展實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，但通信線路常使用光放大器如摻餌光纖放大器〔EDFA〕來補(bǔ)償信號(hào)光的傳輸損耗，從而使通信線路延伸至數(shù)千甚至上萬公里。EDFA對(duì)信號(hào)光進(jìn)展功率放大的同時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)的自發(fā)輻射放大〔ASE〕噪聲。由于OTDR采用的是直接功率探測(cè)方式，這樣，通信線路中EDFA產(chǎn)生的ASE噪聲功率與背向瑞利散射信號(hào)功率將無法得到區(qū)分，因而系統(tǒng)測(cè)量的信噪比會(huì)大大降低。因而，在多個(gè)EDFA級(jí)聯(lián)的通信線路中，ASE噪聲會(huì)不斷聚集而得到加強(qiáng)從而使OTDR無法準(zhǔn)確探測(cè)到瑞利散射信號(hào)，不能對(duì)整條通信線路進(jìn)展測(cè)量。在這種情況下，COTDR凸顯出其巨大的優(yōu)勢(shì)。COTDR通過想干檢測(cè)，可以將微弱的瑞利散射信號(hào)從較強(qiáng)的自發(fā)散射噪聲中提取出來，從而使COTDR的傳感距離大大延長(zhǎng)。而且通過對(duì)系統(tǒng)構(gòu)造進(jìn)展設(shè)計(jì)，還使的COTDR可以應(yīng)用于多跨超長(zhǎng)距離的光纜線路測(cè)量。COTDR原理相干探測(cè)原理下列圖所示為相干探測(cè)的原理圖。相干探測(cè)系統(tǒng)中，除了用于探測(cè)的信號(hào)光，還增加了用來與信號(hào)光進(jìn)展相干探測(cè)的參考光〔又稱為本振光〕。信號(hào)光與參考光經(jīng)耦合器耦合到光電探測(cè)器中，光電探測(cè)器將信號(hào)光與參考光混合時(shí)產(chǎn)生的拍頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，經(jīng)濾波器濾波、放大器放大，即可得到信號(hào)光與參考光的差頻信號(hào)。相干探測(cè)原理圖設(shè)信號(hào)光和參考光的頻率分別為和。信號(hào)光和參考光可分別表示為其中，、分別為信號(hào)光和參考光的振幅。當(dāng)信號(hào)光和參考光混合后被光電探測(cè)器收到的光波場(chǎng)為于是從光電探測(cè)器輸出的光電流可表示為其中，是探測(cè)器的響應(yīng)度。由式可見，探測(cè)器產(chǎn)生的電信號(hào)包含直流分量和交流分量。通過使用濾波器或使用交流耦合輸出的探測(cè)器，可得到交流輸出為從式可知，交流輸出電流的大小正比于信號(hào)光的振幅。由于信號(hào)的功率正比于探測(cè)器輸出電流的均方值，可表示為其中，分別為散射光信號(hào)和參考光的功率；為電子電荷；為探測(cè)器量子效率；為約化普朗克常數(shù)；為信號(hào)光和參考光的平均頻率。于是，系統(tǒng)測(cè)量的信噪比可表示為其中，為探測(cè)器暗電流；為探測(cè)器帶寬；為探測(cè)器其他噪聲所具有的等效光功率。式右邊分母中的各項(xiàng)分別代表暗電流噪聲、參考光引起的散粒噪聲以及探測(cè)器的其他啊噪聲〔如熱噪聲等〕。通常情況下，參考光的頻率遠(yuǎn)高于其他成分，故其引起的噪聲在系統(tǒng)噪聲中占主導(dǎo)，所以信噪比可簡(jiǎn)化從式可以看出，信噪比僅與探測(cè)器的量子效率成正比，而與探測(cè)器中的噪聲無關(guān)。因此相干探測(cè)在理論上能到達(dá)探測(cè)器的量子極限，探測(cè)器的量子效率越高，它就能到達(dá)越高的信噪比。在COTDR系統(tǒng)中，信號(hào)光即為探測(cè)光波在光纖中傳播時(shí)產(chǎn)生的背向瑞利散射信號(hào)，參考光那么由激光光源通過耦合器分出的一局部光波來充當(dāng)。為了使信號(hào)光與參考光存在頻率差，通常利用聲光調(diào)制器〔AOM〕的衍射效應(yīng)對(duì)信號(hào)光進(jìn)展移頻，移頻量的大小一般為幾十兆赫茲。因此，信號(hào)光與參考光的頻率差為其中，為激光器輸出光波的線寬。由此，式可表示為由式可見，COTDR系統(tǒng)中的信號(hào)光經(jīng)相干檢測(cè)后，瑞郎散射信號(hào)僅包含在探測(cè)器輸出的交流分量中，其頻率為，因此信號(hào)的能量集中到了中頻上。為了使信號(hào)盡可能地集中與頻率，那么需要盡可能減少激光器輸出光死亡線寬，因此COTDR通常使用的是單頻窄線寬激光器，這樣便可通過使用中心頻率為的帶通濾波器將絕大局部噪聲濾除，并使信號(hào)幾乎沒有損失地通過，從而提高了系統(tǒng)的信噪比和探測(cè)靈敏度。上面在討論信號(hào)光和參考光的相干檢測(cè)時(shí)，沒有考慮它們偏振態(tài)之間的匹配關(guān)系。而實(shí)際從單模光纖中不同位置產(chǎn)生的信號(hào)光的偏振態(tài)并不一樣，為了防止由于從光纖中某些位置產(chǎn)生的信號(hào)光的偏振態(tài)與參考光偏振態(tài)適配所導(dǎo)致的相干檢測(cè)失敗，在COTDR系統(tǒng)中一般需要擾亂信號(hào)光與參考光的偏振態(tài)，并經(jīng)屢次測(cè)量以獲得信號(hào)光與參考光在不同偏振態(tài)匹配條件下的平均相干檢測(cè)結(jié)果。相干探測(cè)的特點(diǎn)綜上所述，與OTDR相比，COTDR具有以下特點(diǎn)：I利用外差方法可以將探測(cè)光信號(hào)的功率集中在一個(gè)中頻上，通過解調(diào)中頻信號(hào)就可以得到探測(cè)光信號(hào)的功率信息，便于對(duì)中頻信號(hào)做窄帶濾波以提升探測(cè)靈敏度。II理論上探測(cè)的信噪比可以到達(dá)探測(cè)器的量子極限。IIICOTDR探測(cè)光采用單頻窄線寬激光，并且激光頻率在通信頻段以外，從而防止在線監(jiān)測(cè)時(shí)對(duì)通信信道的干擾。IVCOTDR具有卓越的抗ASE噪聲的性能。當(dāng)對(duì)多中繼超長(zhǎng)距離海底光纜進(jìn)展監(jiān)測(cè)，海底光纜中在數(shù)十納米帶寬的圍分布的ASE噪聲總功率很強(qiáng)。相干探測(cè)技術(shù)與平衡探測(cè)方法相結(jié)合可以提高測(cè)量信號(hào)的質(zhì)量，在COTDR中對(duì)光電信號(hào)的接收采用平衡探測(cè)方法。如下列圖所示，背向散射信號(hào)與參考光經(jīng)一個(gè)2*2的3dB耦合器混合相干后再經(jīng)耦合器兩輸出端口進(jìn)入平衡探測(cè)器〔BPD〕的兩端口。BPD由兩個(gè)性能幾乎一樣的雪崩光電二極管組成，其電路設(shè)計(jì)可以將這兩個(gè)雪崩光電二極管輸出的電流做差，從而獲得交流分量輸出。利用平衡探測(cè)器可以很好的地抑制電路中的噪聲，獲得提高的探測(cè)靈敏度和共模抑制比。平衡探測(cè)原理的熟悉描述如下。設(shè)背向瑞利散射信號(hào)和參考光功率分別為、，其角頻率分別為、，于是有外差相干過后，耦合器兩端輸出的電流分別為其中，k為探測(cè)器的響應(yīng)度。于是，平衡探測(cè)器的交流耦合輸出為從上面的分析可知，利用平衡探測(cè)方法得到的探測(cè)信號(hào)的功率是普通探測(cè)方法的4倍，而且獲得信號(hào)的共模抑制比高、失真小，因此，非常適合在COTDR系統(tǒng)中使用。平衡探測(cè)方法示意圖COTDR系統(tǒng)1.系統(tǒng)構(gòu)造組成COTDR原理構(gòu)造如圖3-10所示。激光器發(fā)出的激光經(jīng)耦合器1分成兩束，一束經(jīng)聲光調(diào)制器制成探測(cè)光脈沖，再經(jīng)耦合器2注入被測(cè)光纖，另一束用作參考光。探測(cè)光脈沖在被測(cè)光纖中的背向瑞利散射光信號(hào)經(jīng)耦合器2的一端輸出進(jìn)入一個(gè)3dB耦合器3與參考光混合，二者外差產(chǎn)生中頻信號(hào)由平衡探測(cè)器接收，平衡探測(cè)器輸出帶中頻信息的電流信號(hào)，最后經(jīng)放大、模數(shù)轉(zhuǎn)化后由數(shù)字信號(hào)處理單元解調(diào)出中頻信號(hào)的功率，從而得到探測(cè)曲線。COTDR中激光器使用窄線寬的激光器，一般要求線寬低于10kHZ，頻率穩(wěn)定性好。這是因?yàn)榧す馄骶€寬越窄，外差得到的中頻信號(hào)帶寬越窄，便于對(duì)中頻信號(hào)做窄帶濾波以消除外信號(hào)的干擾。要求激光器頻率穩(wěn)定性好因?yàn)樘綔y(cè)光信號(hào)在被測(cè)光纖中往返需要一定的時(shí)間，根據(jù)式〔3-4〕可知對(duì)于10km的光纖，假設(shè)光纖的折射率為1.45，那么光纖末端瑞利散射光返回光纖初始端所需的時(shí)間約為100，假設(shè)在此過程中參考光的頻率發(fā)生了改變，那么外差中頻信號(hào)就會(huì)發(fā)生改變，甚至跳到帶通濾波器通帶以外，從而造成探測(cè)光信號(hào)功率的局部喪失，這必然會(huì)影響測(cè)量的精度。COTDR構(gòu)造簡(jiǎn)圖2.COTDR性能指標(biāo)COTDR系統(tǒng)的性能指標(biāo)主要有三個(gè)：動(dòng)態(tài)圍、空間分辨率和測(cè)量時(shí)間。動(dòng)態(tài)圍和空間分辨率與OTDR的定義一樣。在傳統(tǒng)的OTDR中，因?yàn)镺TDR測(cè)量的光纖長(zhǎng)度通常在100km以，測(cè)量時(shí)間常常被忽略。但對(duì)COTDR而言，其所測(cè)量的光纜線路長(zhǎng)度可達(dá)上萬公里，因此需要的測(cè)量時(shí)間就不能夠忽略。如用COTDR測(cè)量由EDFA級(jí)聯(lián)而成的一萬公里長(zhǎng)的海底光纜線路，那么探測(cè)光在該光纜線路的往返時(shí)間需0.1s，即在理想情況下COTDR做一次測(cè)量耗時(shí)0.1s。但在實(shí)際測(cè)量中往往會(huì)通過屢次測(cè)量去平均來提高測(cè)量結(jié)果的信噪比，以獲得平滑的COTDR曲線和高的動(dòng)態(tài)圍。通常進(jìn)展測(cè)量的平均次數(shù)為次，如果測(cè)量次，那么所需的測(cè)量時(shí)間至少為7.28小時(shí)，因此，COTDR的測(cè)量時(shí)間顯得相當(dāng)重要。超長(zhǎng)距離COTDR系統(tǒng)中的非線性效應(yīng)當(dāng)COTDR對(duì)長(zhǎng)距離線路進(jìn)展監(jiān)測(cè)時(shí)，盡管中繼EDFA能將探測(cè)脈沖光放大，進(jìn)而增大探測(cè)光傳輸?shù)木嚯x，但是，經(jīng)過EDFA放大的高功率脈沖在單模光纖中會(huì)引起光學(xué)非線性現(xiàn)象，這些現(xiàn)象可能會(huì)極降低COTDR系統(tǒng)的性能，以此，弄清這些非線性現(xiàn)象對(duì)COTDR系統(tǒng)性能的影響非常重要。HisashiIzumita等的理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，當(dāng)光脈沖寬度小于100ns時(shí)，入射光脈沖的寬度受到四波混頻的限制；當(dāng)脈沖寬度大于1時(shí)，入射光功率受自相位調(diào)制的限制；如果脈沖寬度更高，功率更高，受激布里淵散射更加顯著。1自相位調(diào)制〔SPM〕單模光纖在高功率光作用下，其折射率會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致光學(xué)相位的改變，這就是自位調(diào)制。當(dāng)注入光纖中的光脈沖有一定的功率梯度時(shí)，如圖3-11所示，那么傳輸?shù)墓饷}沖頻率會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化：其中，A為光纖有效截面積，其近似等于，為模場(chǎng)半徑；為光脈沖的功率；為纖芯非線性折射率；為入射光波長(zhǎng)。從式〔3-23〕可以看出，當(dāng)探測(cè)光脈沖在脈寬圍存在功率梯度時(shí)，探測(cè)光的頻率會(huì)發(fā)生改變，在COTDR系統(tǒng)中，利用相干探測(cè)的目的就是為了是探測(cè)光和參考光產(chǎn)生穩(wěn)定的中頻信號(hào)，通過對(duì)該中頻信號(hào)進(jìn)展帶通濾波可以降低噪聲，從而提高探測(cè)靈敏度，因此，如果探測(cè)光脈沖在脈寬圍存在功率梯度的話，自相位調(diào)制和穿插相位調(diào)制將使探測(cè)光的頻率變化，從而導(dǎo)致它與參考光的外差中頻發(fā)生改變，一旦外差中頻信號(hào)落在系統(tǒng)的帶通濾波器帶寬以外，信號(hào)的功率將會(huì)喪失，從而使得到的探測(cè)曲線斜率增大。因此，要得到準(zhǔn)確的探測(cè)曲線，一方面要求聲光調(diào)制器性能良好一獲得接近變形的探測(cè)光脈沖，另一方面也要防止非線性效應(yīng)造成的如圖3-11所示的脈沖畸變。穿插相位調(diào)制〔XPM〕光纖中光波的折射率不進(jìn)與自身的強(qiáng)度有關(guān)，而且還與共同傳輸?shù)钠渌ǖ膹?qiáng)度有關(guān)，具體表示如下：于是光波在傳輸時(shí)會(huì)獲得一個(gè)與強(qiáng)度有關(guān)的非線性相位：其中，j=1或2。上式中第一項(xiàng)由自相位調(diào)制產(chǎn)生，第二項(xiàng)為與之一起傳播的另一光波對(duì)這束光波的相位調(diào)制，稱為穿插相位調(diào)制。因此從上式可以看出，同一光纖穿插相位調(diào)制引起的相位改變是自相位調(diào)制的兩倍。事實(shí)上，在COTDR系統(tǒng)中，只要探測(cè)光波長(zhǎng)遠(yuǎn)離通信波長(zhǎng)即可消除穿插相位調(diào)制。3四波混頻〔FWM〕四波混頻是一種參量的作用過程，結(jié)果在泵浦頻率的兩端產(chǎn)生斯托克斯光和斯托克斯光。泵浦光的局部能量轉(zhuǎn)移給了兩個(gè)對(duì)稱的邊帶和，當(dāng)相位匹配條件由自相位調(diào)制得到滿足時(shí)，四波混頻產(chǎn)生的頻移為其中，；；帶寬近似等于；為入射光功率；c為真空中的光速；D為纖芯的二階色散參量。入射光脈沖與ASE噪聲產(chǎn)生四波混頻，探測(cè)器接收到的瑞利散射信號(hào)降低，COTDR系統(tǒng)性能變差。4受激拉曼散射〔SRS〕光纖中的拉曼散射是由于入射光與光纖中做熱運(yùn)動(dòng)的分子發(fā)生非彈性碰撞而引起的一種散射。當(dāng)入射到介質(zhì)中的光波功率增高到某一閾值后，拉曼散射光的功率會(huì)突然增大，并隨著入射光功率增加呈現(xiàn)出非線性的增長(zhǎng)，這種現(xiàn)象稱為受激拉曼散射。對(duì)于普通單模光纖，受激拉曼散射的臨界功率為其中，為拉曼增益系數(shù)。臨界功率與光脈沖寬度無關(guān)。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的單模光纖，有效截面積為，衰減系數(shù)為，拉曼增益系數(shù)，計(jì)算得到SRS閾值為。由于探測(cè)光的功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于受激拉曼散射的閾值，因此在COTDR系統(tǒng)中可以不考慮SRS的影響。5受激布里淵散射〔SBS〕光纖中的布里淵散射是光波與聲波在光纖中傳播時(shí)相互作用而產(chǎn)生的非彈性光散射。與受激拉曼散射類似，受激布里淵散射也存在閾值。對(duì)于普通單模光纖，受激布里淵散射閾值為高功率寬脈沖入射下，脈沖經(jīng)過100km的光纖可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的畸變，從而惡化COTDR系統(tǒng)的性能。COTDR的關(guān)鍵技術(shù)COTDR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)COTDR通常用于多中繼超長(zhǎng)距離海底光纜安康監(jiān)測(cè)，EDFA為海底光纜線路的中繼放大器，探測(cè)光脈沖在EDFA中傳輸時(shí)會(huì)引起瞬態(tài)效應(yīng)，從而導(dǎo)致光浪涌現(xiàn)象，這會(huì)極大的降低COTDR系統(tǒng)的性能。因此必須有針對(duì)性地對(duì)COTDR系統(tǒng)進(jìn)展設(shè)計(jì)。COTDR系統(tǒng)的總體機(jī)構(gòu)如圖3-13所示。系統(tǒng)使用單頻窄線寬激光器〔可采用DFB、ECLD或光纖激光器〕作探測(cè)光，探測(cè)光經(jīng)聲光調(diào)控期調(diào)制成光脈沖。由于聲光調(diào)控器基于光柵衍射的原理工作，因此探測(cè)光脈沖同時(shí)將具有與驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率一樣的頻移。另一路填充光〔一般線寬較寬〕也經(jīng)AOM調(diào)制成與探測(cè)光脈沖互補(bǔ)的光脈沖，二者經(jīng)DWDM合成準(zhǔn)連續(xù)光，再由EDFA放大，并經(jīng)擾偏器擾偏后通過一3dB耦合器注入被測(cè)光纖，被測(cè)光纖中的背向瑞利散射信號(hào)經(jīng)另一3dB耦合器與參考光混合，平衡探測(cè)器接收來自該3dB耦合器兩輸出端的信號(hào)并輸出外差中頻信號(hào)。外差中頻信號(hào)經(jīng)低通濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字下變頻、數(shù)字信號(hào)處理得到探測(cè)曲線。COTDR系統(tǒng)的總體構(gòu)造人們根據(jù)海底通信光纜線路的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了如圖3-14所示的測(cè)量方案。選用如下圖的測(cè)量方式有兩大優(yōu)點(diǎn)：一是兩端同時(shí)測(cè)量能降低線路的測(cè)量時(shí)間；二是采用兩端同時(shí)測(cè)量，可以降低對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)圍的要求。用于海底光纜安康監(jiān)測(cè)的COTDR測(cè)量示意圖COTDR性能的改善I動(dòng)態(tài)圍的提升II空間分辨率的改善采用適當(dāng)?shù)慕翟爰夹g(shù)，使空間分辨率提升，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)圍降低，探測(cè)曲線的相干瑞利噪聲更明顯。III測(cè)量時(shí)間的減少不同時(shí)刻的頻率脈沖對(duì)應(yīng)的COTDR曲線具有相對(duì)的時(shí)間延遲，把各條曲線合成即可提升系統(tǒng)的性能。脈沖調(diào)制頻移鍵控技術(shù)由于EDFA具有自動(dòng)增益功能，工作與通斷狀態(tài)下的光信號(hào)會(huì)產(chǎn)生光浪涌現(xiàn)象。在無光器件，大量的鉺離子處于激發(fā)態(tài)，在光脈沖開場(chǎng)時(shí)，EDFA增益突然增大且不穩(wěn)定，從而不能正確地反映出EDFA的增益，于是使輸出的光信號(hào)的功率出現(xiàn)起伏。于是，利用一路與探測(cè)光脈沖互補(bǔ)的填充光，使二者合成為準(zhǔn)連續(xù)光，可以很好的消除光浪涌。此項(xiàng)技術(shù)稱為FSK〔頻移鍵控〕。降噪技術(shù)由于探測(cè)光線寬極窄〔小于10KHz〕，因此它的相干性很好。這就使得探測(cè)光脈沖在被測(cè)光纖中各個(gè)瑞利散射單元的光具有極強(qiáng)的相干性，從而使得瑞利散射信號(hào)的功率出現(xiàn)隨機(jī)起伏，這就是相干瑞利噪聲。相干瑞利噪聲造成探測(cè)曲線的劇烈波動(dòng)，利用擾偏器對(duì)測(cè)量的曲線進(jìn)展屢次平均，可以極消除相干瑞噪聲。從而使曲線變得平滑。探測(cè)曲線的相干瑞利噪聲擾偏且屢次平均后的探測(cè)曲線圖高速信號(hào)處理技術(shù)光電探測(cè)器輸出的中頻信號(hào)功率通常很低，于是經(jīng)低噪聲放大后由帶通濾波器濾出所需中頻，濾出來的中頻信號(hào)再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，接著由數(shù)字信號(hào)處理模塊完成對(duì)探測(cè)光信號(hào)功率的解調(diào)。COTDR信號(hào)處理流程COTDR的應(yīng)用COTDR技術(shù)最初應(yīng)用于1.3μm的通信光纜線路的監(jiān)測(cè)。后來，1.55μm光通信窗口的出現(xiàn)以及EDFA的問世，使得光中繼的距離提升到了100km。而對(duì)EDFA的級(jí)聯(lián)使用，更使得通信主干線的距離可延伸至上萬公里。傳統(tǒng)的OTDR技術(shù)已無法滿足對(duì)這種線路的監(jiān)測(cè)需要，COTDR的重要作用顯得尤為突出。COTDR目前主要用于多中繼超長(zhǎng)距離光通信線路特別是海底光纜的安康監(jiān)測(cè)。1988年，全球橫越大洋的信息和數(shù)據(jù)中只有2%通過海底光纜傳送，當(dāng)時(shí)，人造衛(wèi)星是主要的遠(yuǎn)距離通信工具。而到了2000年，海底光纜已經(jīng)承當(dāng)了80%的遠(yuǎn)距離通信。目前，已經(jīng)超過90%。圖3-27顯示了世界海纜分布圖，其中跨洋海底光纜有幾十條，海底光纜的總長(zhǎng)度已到達(dá)十萬公里?？梢?，海纜通信系統(tǒng)已經(jīng)成為跨洋數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钪匾姆绞健，F(xiàn)在商用的COTDR系統(tǒng)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)上萬公里海纜線進(jìn)展安康監(jiān)測(cè)。圖3-28給出了COTDR對(duì)多EDFA中繼的海底光纜模擬監(jiān)測(cè)結(jié)果，其中中繼跨距為100km,光纜總長(zhǎng)為2000km。她實(shí)質(zhì)上是由20個(gè)OTDR曲線組成，從OTDR曲線事件識(shí)別的原理，我們可以發(fā)現(xiàn)只要通信線路產(chǎn)生事件，它將會(huì)在探測(cè)曲線中反映出來，于是，我們就可以通過曲線所反映的事件推斷事件的類型和位置，從而確保線路故障的及時(shí)修復(fù)。COTDR對(duì)多中繼海底光纜的測(cè)量曲線4偏振光時(shí)域反射〔POTDR〕技術(shù)POTDR技術(shù)是在OTDR技術(shù)的根底上開展起來的。與OTDR技術(shù)不同，它測(cè)量的是脈沖光在光纖沿線產(chǎn)生的瑞利散射光的偏振態(tài)沿光纖長(zhǎng)度上的變化。由于光纖中光波的偏振態(tài)對(duì)溫度、振動(dòng)、應(yīng)變、彎曲、扭轉(zhuǎn)等的變化非常敏感，所以POTDR技術(shù)可以用來測(cè)量光纖沿線此類事件的變化情況。4.1POTDR的特點(diǎn)(1)背向散射光功率較低。(2)光信號(hào)偏振態(tài)易受外界影響。(3)散射光與入射光偏振態(tài)一樣。4.2POTDR的工作原理偏振態(tài)光時(shí)間域反射法〔POTDR〕最初由Rogers提出，其根本原理：光纖受外界物理量的調(diào)制時(shí)，光的偏振態(tài)就會(huì)隨之發(fā)生變化；瑞利散射光在散射點(diǎn)的偏振方向與入射光一樣，在光纖的入射端對(duì)后向瑞利散射光的偏振態(tài)和光信號(hào)的延遲時(shí)間進(jìn)展檢測(cè)就可獲得外界物理量的分布情況；由于磁場(chǎng)、電場(chǎng)、橫向壓力和溫度都能夠?qū)饫w中光的偏振態(tài)進(jìn)展調(diào)制，因此該技術(shù)可用于實(shí)現(xiàn)多個(gè)物理量的測(cè)量。POTDR構(gòu)造圖5光頻域反射〔OFDR〕技術(shù)光頻域反射技術(shù)由Eickhoff于1981年首次提出。它也是通過光纖中的瑞利散射進(jìn)展傳感，但與OTDR技術(shù)的定位原理不同，它是通過測(cè)量被調(diào)制的探測(cè)光產(chǎn)生的瑞利散射信號(hào)的頻率來對(duì)散射信號(hào)進(jìn)展定位的。相對(duì)于OTDR技術(shù)，它具有空間分辨率高、對(duì)探測(cè)光功率要求低等優(yōu)點(diǎn)。5.1OFDR原理OFDR的原理如圖3-42所示，光源發(fā)出的掃頻光波