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相位OTDR和瑞利增强型光纤电缆设计的工作原理
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相位OTDR和瑞利增强型光纤电缆设计的工作原理

分类: 博客Blogs 发布日期: 2025-09-17

在 Φ-OTDR 中,将高度相干的光脉冲注入传感光纤,并在传感光纤的同一端收集背向散射的瑞利信号,该信号携带振动信息。通过瑞利散射的强度和相位变化提取的振动信息源自随机分布的散射点。来自这些散射中心的瑞利散射在脉冲宽度内发生干涉,如果传感光纤未受到任何外部扰动16 ,干涉图样将保持不变。当传感光纤经历任何局部振动时,局部干涉图样将相应改变。瑞利背向散射现象和重建 Φ-OTDR 时间轨迹的示意图如图 1所示。将一个窄宽度泵浦脉冲发射到传感光纤中,脉冲重复频率为R ,脉冲周期为 (τ PP  = 1/ R ),接收器记录的瑞利轨迹数为。在 Φ-OTDR 系统中,脉冲周期应大于光纤往返时间,以避免脉冲重叠。因此,脉冲周期设计为 τ PP  = 2 L / g,其中L是传感光纤长度,g是发射光的群速度。脉冲周期/脉冲重复频率决定了振动采样或最大可检测振动频率max。根据奈奎斯特采样极限,最大可检测振动频率确定为max  = 1/(2(τ PP )) ≤ 0.5( g /2 L ),而最小可检测振动频率由 Φ-OTDR 系统中的总噪声决定,包括光电探测器的热噪声和散粒噪声以及放大自发辐射 (ASE)。探测到的原始数据背向散射瑞利道有M条道(由泵浦脉冲数决定),N个面元(取决于采样点数),用二维阵列矩阵[ M,N ]表示,如图 1所示对于分布式声学传感,需要长距离弱连续光栅来保持低衰减。本文基于卷对卷连续系统,采用紫外曝光和相位掩模技术制造瑞利增强型光纤,该技术能够在长达数公里的标准电信单模光纤中刻录局部瑞利增强型反射器。详细的光纤制造工艺和生产过程
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裸露的传感器光纤(包括增强散射光纤)本质上很脆弱,需要额外的机械保护才能适合现场应用。因此,它们被封装在光纤电缆中。传感光纤电缆采用 500 μm 缓冲瑞利增强光纤构成,周围环绕着芳纶纱强度构件,外套有 PVC 外套。紧缓冲配置经过优化,可改善从周围介质到光纤的声波耦合。瑞利增强光纤电缆的示意图如图 2所示。这种瑞利增强光纤电缆具有宽带工作波长(1538–1554 nm)和低衰减 ≤ 0.4 dB/km,同时保持了比电信级标准单模光纤高约 13 dB 的增强信噪比。为了测量增强散射光纤电缆的瑞利背向散射信号并将其与传统石英单模光纤 (SMF) 进行比较,我们将一小段(约 5 米)的标准石英 SMF 熔接到增强散射光纤电缆上。图 3 显示了使用光频域反射仪 (OFDR, Luna OBR 4600) 测得的瑞利轨迹 当 OFDR 波长调谐范围设置为 1550 ± 2 nm(在增强散射带宽内)时测量到的红色轨迹,而当 OFDR 波长调谐范围设置为 1580 ± 2 nm(完全在增强散射带宽之外)时测量到的蓝色轨迹。如图 3所示,与标准 SMF 相比,我们可以观察到大约 13 dB 的瑞利增益增强。我们还测量了反射带谱,如图3插图所示 ,其具有大约 16 nm 的宽带宽(从 1538 到 1554 nm)。此外,我们发现衰减低至每公里0.4 dB,这使得这种增强型瑞利光纤电缆适合长距离测量。
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瑞利背向散射的品质因数

最近,有许多关于特种光纤的报道,其增强型瑞利背向散射信号比二氧化硅 SMF 中的瑞利背向散射信号高出 10 dB 以上。虽然增加瑞利背向散射信号可以显著增强振动传感性能,但也可能导致光纤衰减大幅增加。如果由于高瑞利背向散射导致光纤衰减超过一定水平,则传感距离将受到严格限制(通常为几米),这不适用于长距离应用(例如管道)。品质因数 (FoM) 是公平比较瑞利增强光纤和标准二氧化硅 SMF 性能的适当因素。因此,我们将最近讨论的针对此类瑞利增强特种光纤和传统单模光纤的 FoM 分析应用于我们最近研究19中的光纤。此 FoM 为用户提供了评估瑞利增强光纤增强性能的可能性。为了阐明这个 FoM 的含义,我们在当前工作中考虑的单模光纤的背景下回顾了它的推导。

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