基于Φ—OTDR的分布式入侵檢測系統的應用綜述

李成++趙年順++錢楷

【摘 要】Φ-OTDR分布式入侵檢測系統能對沿光纖線路范圍內的入侵目標進行遠程、準確、實時的安全監控，本文分析了基于Φ-OTDR光纖傳感系統的理論、優缺點以及國內外應用研究的方向，提出了在實際工程應用中對入侵檢測系統各部件的具體改進措施。

【關鍵詞】Φ-OTDR；分布式傳感；入侵檢測

Overview on Analysis and Application of the Distributed Intrusion System Detection Based on Φ-OTDR

LI Cheng1，2 ZHAO Nian-shun1 QIAN Kai2

（1.School of Information Engineering， Huangshan University， Huangshan Anhui 245000， China； 2.Key Laboratory of

Opto-electronic Information Acquisition and Manipulation of Ministry of Education， Anhui University， Hefei Anhui 230039， China）

【Abstract】Φ-OTDR（Phase-Sensitive Optical Time-domain Reflectometry）distributed optic-fiber sensing system is a kind of distributed sensing system using optic-fiber can carry on real-time remote security monitoring of the target within it. The principle， advantage and disadvantage and research direction of the fiber sensing system based onΦ-OTDR are introduced.The future of the optical fiber sensing technology is prospected. Finally， Some suggestions and reform measures to various parts of the systemin practical engineering are proposed.

【Key words】Φ-OTDR； Distributed sensing； Intrusion detection

0 引言

基于Φ-OTDR 技術的入侵檢測系統是一種實用的安防系統，不僅具有靈敏度高、抗電磁干擾、抗腐蝕等特性，而且具有測量精確、隱蔽性好、數據處理相對簡單，并且可以測出光纖沿線任一點上的應力、振動和溫度等信息，無需構成回路等特點。分布式光纖傳感技術能夠發揮其光纖分布伸展優勢的傳感測量方法，它是基于光時域反射（OTDR）技術發展起來的一可靠的傳感技術[1-2] 。

1 OTDR分類及基本原理

光在光纖中傳輸會發生散射，包括由光纖折射率變化引起的瑞利散射、光學聲子引起的拉曼散射和聲學聲子引起的布里淵散射三種類型[3-6]。

光時域反射計OTDR是基于測量后向瑞利散射光信號的實用化測量儀器。利用OTDR 可以方便地從單端對光纖進行非破壞性的測量，它能連續顯示整個光纖線路的損耗相對于距離的變化。OTDR測試是通過將光脈沖注入到光纖中，當光脈沖在光纖內傳輸時，會由于光纖本身的性質、連接器、接頭、彎曲或其它類似的事件而產生散射、反射，其中一部分的散射光和反射光經過同樣的路徑延時返回到OTDR中。OTDR根據入射信號與其返回信號的時間差τ，利用下式就可計算出上述事件點與OTDR的距離：

d=cτ/（2n）

式中c 為光在真空中的速度，n 為光纖纖芯的有效折射率。

基于布里淵散射光時域反射儀（BOTDR）的分布式光纖傳感器是布里淵散射和OTDR 探測技術相結合構成的分布式應變傳感器，布里淵后向散射光相對于入射光脈沖會發生頻移。布里淵頻移vB 主要由入射光頻率v0、纖芯折射率n、光纖內聲速V等決定：

vB=（2v0/c）nV

當光纖的溫度和應變發生變化時，光纖纖芯的折射率n和聲速V 會發生相應的變化，從而導致布里淵頻移的改變。通過檢測布里淵頻移的變化量就可獲知溫度和應變的變化量。同時，通過測定該散射光的回波時間就可確定散射點的位置。

2 分布式入侵檢測系統的工作原理及工程實踐

2.1 入侵檢測系統的工作原理[4-5]

圖1 干涉傳感器原理圖

許多研究關注在Φ-OTDR噪音環境下，施加在Φ-OTDR信號上的后向散射各個部分的影響。相位型光纖傳感器關注在光纖中導致外部相位變化的形態和位置。

考慮一束相干光脈沖ε（t）注入一長為L的Φ-OTDR單模光纖。為簡單起見，假設在光纖一點加一外部光源相位調制，在距離注入點Z0處產生光學相位變化Φ，在t時刻出射的后向散射光電場E（Φ）可以表示為光纖中部分散射光的疊加[5-6]。

在光纖中光速為v，光波傳播常數為B，分別利用群速和相位延遲表示電場強度，公式如下：

其中Δz的是OTDR的系統的空間分辨率。因此，Φ-OTDR的可以與相干光源，作為一個分布式的傳感器，空間分辨率相當于該Φ-OTDR的空間分辨率。顯然，良好的能見度激光相干長度應大于Φ-OTDR空間分辨率的間隔。這不是工程中Φ-OTDR的系統案件，因為上述這些系統只有一個狹窄的光譜范圍，和一個可以評估它們性能的平均超過源光譜的全譜寬的入侵干涉儀。這不可避免地導致降低模式的干擾的能見度。

與常規OTDR 一樣，Φ-OTDR通過測量注入脈沖與接收到的信號之間的時間延遲得到擾動的位置。當光纖線路上由于入侵而發生擾動時，由于彈光效應，光纖相應位置的折射率將發生變化，這將導致該處光相位發生變化，又通過干涉作用，相位的變化將引起后向散射光光強發生變化。通過探測器探測后向瑞利散射光，并且將Φ-OTDR不同時刻的后向瑞

利散射曲線相減來檢測這種效應，相減的曲線上光強發生變化的時間位置同入侵導致相位擾動的位置（相對注入脈沖那一端的距離）相對應。

2.2 國內外研究現狀與趨勢

目前在國外的實驗研究中，已從單一檢測布里淵散射的頻移或強度，發展到散射頻移和強度的同時檢測，實現溫度與應變的同時傳感。

第一類使用脈沖激光器或連續光激光器作為光源的光時域反射計系統已被證明可以用來檢測并定位拉伸或溫度引起的相位擾動。使用半導體脈沖激光器作為光源的光時域反射計系統被用于檢測由溫度快速變化引起的光相位變化[6]實驗的原理圖如圖2：

圖2 Φ-OTDR 系統原理示意圖

該檢測系統的空間分辨率是0.7米，這也是Φ-OTDR系統的分辨率。測量的積分時間等于第一相位調制器的時間延遲。輸出強度的明顯變化類似于兩束干涉儀。該實驗被證明是從第一次的部分光纖中由于相額外隨機波的疊加。他們顯然不是因為散粒噪聲或在分散的條件隨機變化，因為他們在形式上保持穩定的幾秒鐘。這表明該相干長度是大到足以提供有形干擾為Φ-OTDR的空間分辨率[6-8]。實際上，該系統為法布里珀羅干涉儀系列。

另一類光纖分布式傳感防入侵系統[7]是基于干涉儀原理的分布式傳感系統。但是，干涉儀方法的定位精度會隨著傳感距離的增大而降低，數據處理工作也很復雜，且對參考光纖的屏蔽有很高的要求。

第三類是基于大功率超窄線寬單模光纖激光器的？準-OTDR分布式傳感系統[8]，此項實驗研究采用了單模光纖激光模塊，實驗系統結構框圖如圖3所示[8]。光纖激光器產生的光波經過電光調制器后產生光脈沖，光脈沖被EDFA放大，由帶通濾波器濾除自發輻射光后通過一個3dB的耦合器進入系統光纜。用光電探測器探測后向瑞利散射光，該實驗用采樣率為50MS/s的數據采集卡采集數據。設備位于室內，12km直徑為3mm的成纜標準單模光纖作為傳感光纖，埋設于室外地下20cm，在2km處直線展開30m作為入侵點。

圖3 Φ-OTDR實驗系統結構框圖

該研究提出了一個基于大功率超窄線寬激光器的？準-OTDR光纖分布式傳感系統[8]，激光器的輸出功率為50mW，線寬≦3kHz。使用一級放大降低自發輻射噪聲，該系統的信噪比較高，有入侵時系統能較好的響應光相位調制。

3 結論

Φ-OTDR分布式光纖傳感系統的優點[9-13]：（1）靈敏度度高，可以進行精確檢測。（2）并且具備提取大范圍測量場的分布信息的能力。（3）分布式光纖傳感系統的傳感器件具有抗電磁干擾、防水、耐高溫、抗腐蝕等特點，在特殊環境下可以正常工作。缺點：（1）由于靈敏度高，誤報率較高。（2）由于光源的功率受限，檢測信號較弱。（3）與其它類型檢測系統相比，空間分辨率較低。

改進方法：（1）對光纜進行封裝保護，例如應用FRP 封裝的復合材料光纜作為傳感光纜[9]，還需對整個檢測系統進行軟硬件優化，對收集的數據進行信號處理，降低環境噪聲對系統的影響。（2）增大光源功率，增大性噪比，改進整個系統的功能。目前Φ-OTDR 分布式光纖傳感系統整體性能已經在國內外研究者的推動下取得了較為顯著地優化，我們還需要針對以上方面做進一步改進，在測量精度，距離以及識別不同頻率振動事件[2]方面進一步優化，才能更好的應用于實際的入侵檢測中。

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[責任編輯：楊玉潔]