前言

在光纖傳感領(lǐng)域，分布式光纖振動(dòng)傳感器（DOFVS）是實(shí)現(xiàn)光纖集成傳感與通信（ISAC-OF）的關(guān)鍵技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于城市結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、海洋地震探測(cè)以及管道、電纜、周界安全監(jiān)測(cè)。近些年的研究重點(diǎn)聚焦于超過(guò)100公里的長(zhǎng)距離DOFVS，但是現(xiàn)有技術(shù)如基于正向干涉儀或基于背向散射的方法均存在一定的局限性。本文提出了一種基于光頻域反射儀（OFDR）和皮爾遜相關(guān)系數(shù)（Pearson-CC）的單端超100公里的分布式振動(dòng)傳感器技術(shù)，為長(zhǎng)距離振動(dòng)監(jiān)測(cè)提供了新方案。

技術(shù)原理

該技術(shù)核心原理基于OFDR的基本理論。在OFDR系統(tǒng)中，本地振蕩器參考光與包含瑞利背向散射和菲涅爾反射的信號(hào)光干涉形成拍頻信號(hào)，通過(guò)對(duì)參考信號(hào)和測(cè)試信號(hào)進(jìn)行處理，在光頻域計(jì)算Pearson-CC來(lái)評(píng)估瑞利背向散射譜的變化。當(dāng)有振動(dòng)事件發(fā)生時(shí)，振動(dòng)會(huì)引起瑞利背向散射譜改變，進(jìn)而導(dǎo)致Pearson-CC下降，且下降幅度與振動(dòng)幅度相關(guān)。為精準(zhǔn)定位振動(dòng)事件，采用修剪精確線性時(shí)間（PELT）算法，基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃原理對(duì)Pearson-CC序列進(jìn)行最優(yōu)分割，有效識(shí)別出序列中的變化點(diǎn)，即振動(dòng)事件的位置。

圖 1.解調(diào)振動(dòng)事件的算法處理流程圖

圖 2.用于變化點(diǎn)檢測(cè)的PELT算法處理流程圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，搭建了內(nèi)部調(diào)制OFDR系統(tǒng)。該系統(tǒng)以中心波長(zhǎng)1550nm、線寬小于1kHz、光功率約8mW的硅基光子芯片激光器為光源，通過(guò)任意波形發(fā)生器（AWG）控制實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧激光源（TLS）。實(shí)驗(yàn)中，在100.9km的單模光纖（FUT）上設(shè)置兩個(gè)壓電換能器（PZTs）模擬振動(dòng)事件。對(duì)不同電壓激勵(lì)下的PZT1進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示，通過(guò)檢測(cè)Pearson-CC的階躍變化和計(jì)算差分Pearson-CC，能準(zhǔn)確地定位振動(dòng)事件并獲得與振動(dòng)幅度呈良好線性關(guān)系的結(jié)果，R2達(dá)到0.9993。同時(shí)，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)100km光纖上兩個(gè)同時(shí)發(fā)生的振動(dòng)事件的定位，驗(yàn)證了該技術(shù)在多振動(dòng)事件監(jiān)測(cè)方面的能力。此外，實(shí)驗(yàn)得出該傳感器的應(yīng)變分辨率為868pε，空間分辨率為15.3m。與以往基于互相關(guān)相似性分析（CCSA）的方法相比，本文所提方法優(yōu)勢(shì)顯著。CCSA方法難以證明非相似性與振動(dòng)應(yīng)變的線性關(guān)系，且在低振幅振動(dòng)檢測(cè)和長(zhǎng)距離應(yīng)用中表現(xiàn)欠佳。而基于Pearson-CC的方法應(yīng)變分辨率更高，線性度更好，能有效檢測(cè)出2.608nε的微弱振動(dòng)，而CCSA方法無(wú)法做到。

圖3.OFDR 系統(tǒng)框架圖

圖4 振動(dòng)事件定位結(jié)果圖

總結(jié)

總體而言，這項(xiàng)基于OFDR和Pearson-CC的分布式振動(dòng)傳感技術(shù)，為長(zhǎng)距離、高分辨率的光纖振動(dòng)監(jiān)測(cè)提供了一種簡(jiǎn)單且有效的方案，在現(xiàn)有光纖通信網(wǎng)絡(luò)的分布式監(jiān)測(cè)中極具應(yīng)用潛力，有望推動(dòng)海洋地震探測(cè)、管道安全監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展。

審核編輯 黃宇