BOTDR分布式传感系统

引言 
分布式光纤传感器相对传统电传感器来说有着明显的优势。近来，基于内置光纤光栅（FBG）技术的传感器得到了广泛的应用。这是一种典型的准分布式传感器，它主要用来对多点进行温度和应力的探测。然而，这种准分布式传感有一个很大的缺点，那就是它的探测仅仅局限于那些内置FBG的特殊位置，它不能提供沿光纤方向全分布的温度和应力的信息，而且随着内置FBG数量的增加，系统配置的成本将迅速增加。另外，对于由FBG构成的探测系统来说，它需要有很高精度的波长解调设备才能组网。

随着光纤技术的发展，基于光纤非线性效应的全分布式光纤传感系统正在快速改变这种局面。它是一种真正的传、感合一的全分布式探测系统。基于喇曼散射的分布式传感系统目前已经得到广泛应用。但是，这种探测系统只能对温度进行探测，对应力不敏感；而且这个系统灵敏度不高，温度精度为1oC，空间精度为1米；由于喇曼散射后返回的信号非常弱，它要比瑞利散射强度弱20-30dB，探测距离也只能在10-20公里之内。为了提高探测距离，因此常常需要脉冲峰值功率很高的脉冲激光光源。鉴于基于喇曼散射传感系统的种种不足，基于布里渊时域反射（BOTDR）的传感系统正在快速发展。它采用标准的通讯单模光纤作为传感元件，它能提供上百公里的温度和应力的同时探测能力。

相对基于喇曼散射的传感系统来说，BOTDR传感系统有以下几个方面的优点：1）它能同时对温度和应力进行探测；2）测量灵敏度高，温度为0.2oC,应力为4με;3)探测作用距离远，能达到100公里，空间分辨率达到5米；4）成本费用低。

核心技术：
为了实现高精度和低成本的BOTDR传感探测，系统必须配备一台高功率、超稳定、单频率、窄线宽的光纤激光器。光库通讯（珠海）有限公司提供的拥有世界上独一无二专利技术的单频光纤激光器，圆满地解决了这个问题。光库通讯提供的1550nm光纤激光器最大的特点就是它的线宽超窄至2KHz，频率稳定性好于10MHz，具有超长的相干长度和超低噪声，其输出功率可达到150mW，边模抑制比高于50dB,热调谐范围为20GHz。
图1是同时测量温度和应力的传感系统的结构框图。光源是光库通讯提供的窄线宽光纤激光器。光信号在注入长距离光纤（100公里）之前，一部分激光器输出的光信号经过调制器后形成脉冲光信号；另一部分则输入环形干涉器，该环形干涉器其实相当于一个布里渊光纤激光器。环形激光器的腔长为10-20米，腔的自由光谱范围（FSR）非常接近光纤中布里渊增益的带宽（约20MHz），从而让布里渊光纤激光器单频工作。为了让布里渊激光器稳定工作，它的输入激光信号需要非常窄的线宽和很少的频率波动。光库通讯提供的窄线宽光纤激光器，它的线宽比最好的半导体激光器的线宽要窄2-3个数量级，工作一段时间后，稳定的窄线宽激光器的频率波动仅在±20MHz以内。另外，在布里渊激光器上，还使用了一个PZT调制器来对其工作频率进一步进行稳定。由于窄线宽光纤激光器和布里渊散射信号都位于通信波长区域，因此在该系统中使用的光学器件（比如普通光纤放大器，掺铒光纤放大器）都是低成本的商业化的通信产品。
  
在BOTDR传感系统中，我们采用了连续的外差探测技术，来探测到光纤中携带的温度和应力信息的自发布里渊散射的光脉冲信号。通过测量布里渊频移和布里渊散射的光功率，就可以求得被测量点的温度和应力的大小。在外差探测中，稳定连续的布里渊激光器被当作本地振荡器（OLO），将本地振荡器的信号与自发的布里渊散射信号进行拍频，拍频信号的频率小于500MHz，这样这个低拍频信号就可以用成熟的低频电子技术来处理。而且，低频的外差探测不仅具有很高的灵敏度，同时也提供了使用低成本的商业化电子产品进行实时数据处理的机会（比如频率-电压转换器），取代了高成本的频率在传统外差接收器带宽之外的微波连续探测。在1.55um波长处，布里渊散射光的频移大致为11GHz，拍频位于广泛使用的外差探测器的带宽之外，这就需要昂贵的微波连续探测器。

实际应用
随着BOTDR传感技术的日益成熟，BOTDR分布式温度和应力传感系统将不断为我们的生活提供更优质的安全服务。它不但能准确提供各种建筑物、桥梁隧道、大坝、储油罐、边坡稳态、石油天然气管道、船只、钻井平台等各种应力变形的实时检测信息，同时也能提供各种火情温度检测、电源变压器、发电机以及各种温度过热检测等系统最精确的温度监测信息。我可以这样的说，BOTDR分布式温度和应力传感系统，是光纤传感探测领域一次飞跃性的革命，无论从探测范围，探测参量的数量，还是探测精度，都是过去传感系统所无法比拟的。而光库通讯为BOTDR搭载的窄线宽激光器，无异于为这次传感领域飞跃性发展提供了最强大的动力！