郭舉富，王尉軍，盛興隆，李朝舉，胡凱強(qiáng)

（貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550013）

0 引 言

近幾年，光纖預(yù)警傳感技術(shù)在工程上的應(yīng)用越來越多。為保障電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，需要安排工作人員參照路由圖紙進(jìn)行日常線路巡視，以便發(fā)現(xiàn)光纜附近有施工時(shí)及時(shí)進(jìn)行安全處理。由于巡線人員不足等因素，很多施工并沒有在運(yùn)維人員巡線時(shí)被發(fā)現(xiàn)，且其中很多施工屬于野蠻施工，即“事前無報(bào)備，事后當(dāng)電纜、光纜挖斷時(shí)又刻意隱瞞”，導(dǎo)致?lián)屝薰ぷ骼щy重重。

隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展，可以提前發(fā)現(xiàn)電力管道光纜附近的機(jī)械施工情況，以便及時(shí)通知巡視人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行溝通，減少威脅光纜安全的事故發(fā)生。

1 光纖傳感技術(shù)——干涉型

干涉光中，光的強(qiáng)度變化和光程差的變化存在一定的對(duì)照關(guān)系。因此，干涉型光纖傳感技術(shù)通過此種聯(lián)系獲取外界的物理量，靈敏度高但定位精度差，在光纖預(yù)警系統(tǒng)中的應(yīng)用程度不高。

20世紀(jì)90年代，Paul R. Hoffman[1-4]等人研究了多場(chǎng)景下的安全檢測(cè)任務(wù)，主要基于Sagnac干涉理論的分布式光纖傳感技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 基于Sagnac干涉原理的檢測(cè)結(jié)構(gòu)

光信號(hào)經(jīng)過耦合器后分為兩束光源在兩根光纖繞成的光纖環(huán)中依照不同的方向行進(jìn)，這兩種光信號(hào)返回終點(diǎn)耦合器時(shí)會(huì)引起干涉現(xiàn)象。信號(hào)的相位頻譜變化多與其頻率特征有關(guān)，此特定可以用來對(duì)該處光纖的干擾進(jìn)行物理定位。一旦有外部振動(dòng)作用于傳感光纖的時(shí)候，傳輸光纜的一端可以檢測(cè)到亮暗相間的光傳輸信號(hào)，反映的是傳輸光源的相位差變化，也反映光纖是否受到干擾。

基于Sagnac干涉原理的光纖傳感系統(tǒng)改造結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要額外控制光路的相干長度。但是，該傳感系統(tǒng)只能應(yīng)用于一定頻率特征的某類外破入侵事件，限制了其在外破事件入侵監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用范圍，且該系統(tǒng)中的光纖需要屏蔽使系統(tǒng)的定位精度達(dá)到一定水準(zhǔn)，一定程度上增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。

為解決以上問題，基于雙Mach-Zehnder的安全預(yù)警技術(shù)方案相繼被提出。Mach-Zehnder干涉儀是一種較為常見的波長調(diào)制型光纖傳感器，基于建立輸入波長變化與相位變換之間的聯(lián)系反映外界的傳輸光強(qiáng)變化。

不同的光纖傳感系統(tǒng)因?yàn)樵聿煌哂胁煌奶卣?。某一類系統(tǒng)具有其他系統(tǒng)不具有的優(yōu)點(diǎn)，但同樣存在其他系統(tǒng)沒有的缺點(diǎn)。所以，為了解決單一方法的不足，許多學(xué)者通過借鑒各種各樣的光纖傳感技術(shù)構(gòu)造綜合的光纖傳感系統(tǒng)。1997年，Stephanus J. Spammer[5]研究出基于Sagnac/Michelson干涉原理的光纖傳感系統(tǒng)應(yīng)用于外破入侵事件的安全監(jiān)測(cè)，優(yōu)勢(shì)在于能夠識(shí)別較多的外破入侵事件的頻率特征，但無法解決光纖屏蔽。后期Anatoli A.Chtcherbakov[6]提出了一種光纖傳感系統(tǒng)用于外破入侵事件的定位與監(jiān)測(cè)，主要依據(jù)是融合Sagnac和Mach-Zehnder的干涉原理。系統(tǒng)通過對(duì)兩種干涉儀的輸出信號(hào)進(jìn)行對(duì)比得到入侵信號(hào)的定位位置，缺點(diǎn)是Mach-Zehnder干涉儀為了傳輸數(shù)據(jù)需要獨(dú)立的數(shù)據(jù)傳輸通道，而隨著傳輸距離的增加，數(shù)據(jù)在傳輸過程中必然會(huì)消耗時(shí)間，因此對(duì)于距離較長的光纜外破監(jiān)測(cè)，該系統(tǒng)很難實(shí)現(xiàn)。

2 光纖傳感技術(shù)——光柵型

光纖Bragg光柵傳感系統(tǒng)（FBG）[7]在20世紀(jì)后期逐漸走進(jìn)人們的視野。作為一種全光纖無源器件，光纖Bragg光柵具有體積小、波長選擇性好、不受非線性效應(yīng)影響、極化不敏感、易與光纖系統(tǒng)相連接、便于使用和維護(hù)、帶寬范圍大、附加損耗小、器件微型化、耦合性好以及可與其他光纖器件融成一塊等特性，且具有成熟的光纖光柵制作工藝，成本低廉，易于進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，因此具有良好的實(shí)用性。這樣的優(yōu)越特性使得光纖Bragg光柵以及光纖光柵的器件成為全光網(wǎng)中較為理想的器件，具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

基于FBG的物理特性，研究通常將其分為主動(dòng)型光纖光柵傳感技術(shù)和被動(dòng)型光纖光柵傳感技術(shù)兩種。被動(dòng)型光纖光柵傳感技術(shù)的主要理論依據(jù)是通過波長調(diào)制達(dá)到傳感的最終目的。外界的干擾量如溫度、應(yīng)變等變化，會(huì)影響到光纖光柵的折射率、調(diào)制周期以及纖芯的折射率。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 被動(dòng)型FBG光纖傳感系統(tǒng)

主動(dòng)型光纖光柵傳感技術(shù)需利用分布式布拉格反射式（DBR）光纖激光器，工業(yè)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)溫度和應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量，方法多為同時(shí)使用兩個(gè)光纖DBR激光器，系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 主動(dòng)型光纖光柵傳感系統(tǒng)

3 光時(shí)域反射技術(shù)——OTDR

目前，基于OTDR分布式光纖振動(dòng)傳感的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)種類繁多，其中運(yùn)用廣泛的主要有偏振敏感光時(shí)域反射技術(shù)（POTDR）、普通光時(shí)域反射技術(shù)（OTDR）、自發(fā)布里淵散射光時(shí)域反射技術(shù)（BOTDR）以及相位敏感光時(shí)域反射技術(shù)（PHI-0TDR）4種。

光時(shí)域反射技術(shù)多基于瑞利散射機(jī)制完成信號(hào)的采集，因?yàn)槿鹄⑸涔忸l率和入射光波相同，所以在瑞利散射中光波的頻率在散射過程中會(huì)一直保持不變。傳感光纖會(huì)接收激光源發(fā)射的高強(qiáng)度光信號(hào)，探測(cè)器通過檢測(cè)沿著光纖軸后向傳回的后向瑞利散射光波的光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)溫度、應(yīng)力等物理量的測(cè)量。工業(yè)上，通常利用這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸管廊的監(jiān)測(cè)。

后向瑞麗散射光在進(jìn)行多次平滑處理后可以增強(qiáng)其光波強(qiáng)度，從而保證傳感系統(tǒng)的靈敏度達(dá)到一定的水平。在平滑過程中，光纖的狀態(tài)需要保持恒定，以確保測(cè)量精度。

普通OTDR因?yàn)閾p耗較高，只能感受到較為敏感的光強(qiáng)變化。對(duì)于FDD系統(tǒng)來說，測(cè)量的物理量為時(shí)變信號(hào)，因此基于普通OTDR的分布式光纖擾動(dòng)傳感器不能適用于頻率較高的振動(dòng)傳感。

布里淵散射技術(shù)能夠利用布里淵散射效應(yīng)完美地將待測(cè)變化量轉(zhuǎn)變?yōu)椴祭餃Y頻移變化量。依靠這項(xiàng)技術(shù)，它能應(yīng)用在一些監(jiān)測(cè)任務(wù)中，如對(duì)基坑、變形以及扭轉(zhuǎn)等。

在現(xiàn)代光纖振動(dòng)檢測(cè)時(shí)，最主要的問題是常常無法分清到底是什么狀態(tài)變化導(dǎo)致了光纖偏振態(tài)發(fā)生變化。一些光纜鋪設(shè)的環(huán)境復(fù)雜且惡劣，能夠引起光纖振動(dòng)的外界物理量數(shù)量也非常多。因此，偏振態(tài)的變化也只能對(duì)監(jiān)測(cè)起到一定的幫助，而要完成大范圍的分布式監(jiān)測(cè)任務(wù)，光靠偏振態(tài)這一獨(dú)立的參數(shù)是不行的。

POTDR適用于溫度的測(cè)量[8]；BOTDR因?yàn)槠淇臻g分辨率和廣闊的測(cè)量寬度，可用于應(yīng)變、溫度測(cè)量；POTDR傳感的距離比其他傳感技術(shù)要短，但是能夠完成高精度的定位任務(wù)；PHI-OTDR定位精度高，系統(tǒng)響應(yīng)快，具備長距離探測(cè)能力等優(yōu)點(diǎn)。

BOTDR主要建立外界被測(cè)物理量如溫度、應(yīng)力等與光纖中的布里淵散射功率或頻移的變化量的變化關(guān)系來進(jìn)行分布式傳感監(jiān)測(cè)[9]。工業(yè)上，通常通過監(jiān)測(cè)布里淵散射信號(hào)返回的時(shí)間完成空間的定位工作，如汽油傳輸，電力傳輸?shù)?。在這些應(yīng)用場(chǎng)景中，BOTDR技術(shù)因?yàn)槟軌蚋兄獪囟群蛻?yīng)力而被廣泛運(yùn)用。

基于相位敏感的PHI-OTDR技術(shù)是通過OTDR不斷發(fā)展而來的。PHI-OTDR技術(shù)的光源信號(hào)是頻率超窄的激光器發(fā)射的，其中高相干光信號(hào)的形成經(jīng)過聲光調(diào)制器的調(diào)制后形成光脈沖信號(hào)。此種光信號(hào)在光纖內(nèi)部進(jìn)行傳播時(shí)會(huì)因?yàn)楣饫w內(nèi)部的構(gòu)造原因而產(chǎn)生折射率不均勻的特性，是瑞麗散射光產(chǎn)生的原因。這些瑞利散射的光信號(hào)沿著光纖內(nèi)部反方向傳播至光源發(fā)生處，最終通過環(huán)形器進(jìn)入光電探測(cè)器，因此系統(tǒng)輸出信號(hào)為后向瑞利散射光的相干干涉光強(qiáng)。PHI-OTDR技術(shù)相較于傳統(tǒng)的OTDR技術(shù)，最大的區(qū)別在于改進(jìn)了光源。

PHI-OTDR分布式光纖振動(dòng)傳感器主要實(shí)現(xiàn)的功能是定位外部振動(dòng)干擾點(diǎn)，其基于后向瑞利散射光信號(hào)的相干干涉光波信號(hào)理論實(shí)現(xiàn)定位任務(wù)。當(dāng)光纖外部受到擾動(dòng)干擾時(shí)，光纖內(nèi)部的物理結(jié)構(gòu)會(huì)使內(nèi)部的折射率發(fā)生變化，而這一變化能夠使后向傳輸光信號(hào)的相位受到調(diào)制。此時(shí)，后向散射光的強(qiáng)度會(huì)引起變化，這種差別是系統(tǒng)甄別傳輸光纖是否受到外界擾動(dòng)的關(guān)鍵。系統(tǒng)捕捉器通過感知光強(qiáng)的變化準(zhǔn)確定位光纖外部的振動(dòng)物理位置。PHI-OTDR分布式光纖振動(dòng)傳感器是基于感知干涉光的相位變化判斷光信號(hào)發(fā)生了變化，因此可以同時(shí)測(cè)量多個(gè)不同位置的振動(dòng)信號(hào)，且相較于其他普通的OTDR方法，具有很高的靈敏度。

4 結(jié) 論

光纖傳感技術(shù)的發(fā)展對(duì)電力防止外部擾動(dòng)事件起到了重要作用，可以利用這項(xiàng)技術(shù)捕捉、統(tǒng)計(jì)分析對(duì)光纜、電纜數(shù)據(jù)，以便阻止可能發(fā)生的事故，減少光纜維護(hù)人員的工作負(fù)擔(dān)。隨著光纜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不斷更新發(fā)展，光纖預(yù)警傳感技術(shù)將在眾多的應(yīng)用場(chǎng)景中獲得應(yīng)用。