摘要：目前，分布式光纤传感器OTDR（光时域反射仪）在通信光缆检测中应用广泛。随着需求精度的提升和需求功能的多样，新型分布式光纤传感器在国内外被重点研究并迅速发展。着重介绍基于瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射分布式光纤传感器的技术原理及实现方案，跟踪国内外对于温度和应力的测量指标。并对通信领域的管道监测和接入光缆监测等应用场景所适用的分布式光纤传感方案进行了探讨。
关键词：分布式 传感 瑞利 拉曼 布里渊
张芙蓉
中国移动通信集团设计院有限公司河北分公司。
前言
光缆资源因其损耗较低传输容量大是通信运营商最重要的自有资源之一。在实际工程中，光缆现场监测普遍采用分布式传感的OTDR监测法，该方法能精确测量光纤接头损耗，还能测试光纤线路的衰减系数和光纤长度，判断是否出现损伤和断纤。
我国地域环境差异很大，光缆种类和敷设方式也不尽相同，随着光缆监测需求精度的提升和环境条件的复杂性，影响在网光缆性能的主要因素是各种原因导致的光缆所受温度和应力的变化，例如架空光缆所受到的拉力、覆冰和风力；直埋光缆所受到的挖掘、动物啃咬和不明热源；管道光缆可能遭遇的管道沉降或位移、热力管道泄漏、火灾等情况。它们都可能会对光缆造成衰减甚至断缆等后果。因此，能实现OTDR功能且又能检测光缆所处温度和应力环境的新型分布式光纤传感器的研究是光缆故障预警的发展方向[1]。
1 分布式光纤传感器原理
光散射是一种普遍现象，它是由介质的光学不均匀性造成的，光在介质中传播与物质相互作用，使得散射光在强度、方向、频率甚至偏振态都可能与入射光不同。实验发现，在光纤的散射信号中，存在瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射，后两种属于光纤非线性散射。如图1描述了光纤中的背向散射光谱[2]。
图1 光纤中背向散射光频谱分布图
分布式光纤传感器是测量光波在光纤中传播时产生的散射光变化的一种传感方式，其中的OTDR是现代分布式光纤传感技术的基础。背向瑞利散射光的频率和入射光频率一致，光功率较大且随光脉冲功率的降低而降低。其原理如图2所示，光源发送脉冲进入光纤的一端，然后在同发射端检测背向瑞利散射信号。光纤检测的位置信息由发送脉冲与接收到散射信号的时间延迟提供，光纤的衰减信息通过对散射信号强度的测量得到。位置信息Z和其光功率P(Z)可由下面公式表示
其中，C为真空中的光速，t为接收到散射光的时间，n为光纤折射率。P(0)为入射端光脉冲功率，α为散射系数。
图2 基于瑞利散射的OTDR传感系统框图
2 新型分布式光纤传感器
2.1 相干光时域反射计（COTDR）
1997年，研究人员发现光纤某区域发生温度或应力变化时，热光效应和弹光效应会使光纤折射率、密度和散射点之间距离发生变化，从而引起瑞利散射信号的相位发生改变，通过计算瑞利散射信号功率谱及相关函数谱的变化，可以准确定位温度/应力的变化区域并解析出变化信息[3]。COTDR的出现填补了OTDR不能检测温度/应力的空白，主要在长距离海底光缆监测中用于故障定位和损耗测量。
由于COTDR系统采用强相干性的窄带激光源，光纤的受激布里渊散射（SBS）阈值较低，因此系统只能降低入射光功率以方便接收处理信号，这影响系统的测量精度。目前关于COTDR温度/应变测量的研究主要集中在提高测量精度上，已报道的国外COTDR温度传感系统达到的最高指标为8 km测量范围，空间分辨率1 m、温度分辨率0.01℃[4]，国内关注COTDR降噪处理的研究较多，华北电力大学有关于COTDR测量温度的系统研究[5]。COTDR目前的产品研究方向是开发空间分辨率和大动态范围的COTDR系统以便适合FTTH接入网检测。
2.2 拉曼光时域反射计
拉曼散射光是由光纤中的光学光子和光学声子产生非弹性碰撞，具有的两条光谱分别是斯托克斯光和反斯托克斯光。频移约为40 THz，强度约为瑞利散射的0.1%。拉曼散射频移较大很容易分离信号，因此拉曼温度传感器是分布式光纤传感器中研究较成熟的技术，其产品已经出现在国际、国内市场。拉曼传感原理图同OTDR类似，在检测信号阶段需要分离斯托克斯光和反斯托克斯光信号，如图3所示。由于拉曼散射只对温度较敏感且信号强度较小，使得拉曼传感器的传感范围在0 ～ 10 km左右，且不能实现应力测量。
图3 基于拉曼散射的分布式光纤温度传感系统基本框图
国外有研究提出基于受激拉曼散射的分布式光纤传感技术，由于拉曼增益对偏振态的敏感性，通过测量偏振态能得到光纤上的横向应力，从而实现温度和应力的测量。国内有专利采用拉曼放大器[5]将瑞利散射和拉曼散射结合起来测量，由瑞利散射得到传感光纤上各点的损耗变化信息，由拉曼散射测量光纤各点的温度信息。专利称能将拉曼传感器的测量距离增大到100 km，测温精度±2 ℃。
2.3 布里渊分布式传感器
布里渊散射同拉曼散射相似，是由光纤中的光学光子和声学声子传播时相互作用而产生的光散射现象，也具有两条光谱。当石英光纤的传输波长为1310 nm时，布里渊频移约13 GHz。布里渊分布式传感器有很多研究方向，各有侧重功能，都能实现温度/应力的测量，本文选择有产品的2种目前已有产品的布里渊分布式传感器分别介绍。
2.3.1 布里渊光时域反射（BOTDR）
BOTDR的原理同OTDR相似，如图2所示，不同的是检测信号变为背向自发布里渊散射信号。由于信号微弱，对检测的技术手段要求较高，除了传统外差相干接收法之外，一种采用马赫-曾德干涉仪的方法[6]通过测量布里渊的频移得出温度信息，通过测量自发布里渊散射强度得出光纤应力信息，这样能够同时解析出温度和应力。BOTDR目前广泛应用建筑、隧道、管道、石油、电力等行业用于温度和应力的监测监控，取得良好效果。欧洲、日本和美国都有产品问世，如日本的NTT-AT和NTTInfranet公司，美国的Micron Optics公司等。
2.3.2 布里渊光时域分析（BOTDA）
图4 基于BOTDA的传感系统基本框图
如图4所示，在光纤两端分别入射脉冲光与连续波形的泵浦光（探测光），当两者的频差等于该段光纤中的布里渊频移时，就会发生受激布里渊放大效应使得两光束之间发生能量转移。由于温度、应变与布里渊频移存在线性关系，因此，通过检测布里渊频移的变化量，就可计算出分布式光纤上温度和应变信息。BOTDA系统利用受激布里渊效应检测的是探测光，检测信噪比高，可实现的动态范围大，检测系统相对简单。近些年，改进型BODTA系统得到广泛研究，脉冲编码、多调制接收方法等被引入BOTDA系统，能将传感系统的测量长度提高到100 km。
BOTDA也具有明显缺点，它需要两端入射，不如OTDR的系统使用方便。在这种情况下，一种新型瑞利BOTDA传感系统出现了，它能利用脉冲基底激发出背向瑞利散射光作为对向传输的探测光与脉冲光发生受激布里渊效应，实现探测光纤上温度的测量[9]。目前只进行到实验室研究阶段。
BOTDA的产品很多，加拿大OZ公司的能实现应力、温度和1.5 cm缝隙的测量的分布式传感器，瑞士的Smartec和Omnisens公司的商业化BOTDA系统DiTeSt能实现50 km范围温度和应力的测量，日本Neubrex公司的产品PPP-BOTDA能实现10 km范围空间分辨率1 m 、温度测量精度0.6 ℃、应变测量精度25 με。
3 通信光缆监测中的应用探讨
3.1 管道监测
管道资源是运营商的重要资源，其具有单公里造价高、容量大、战略性强等特点，但因深埋地下，是无源设施，一直以来探查监测困难。由于外力沉降抬升作用，经常发生现有管道无法疏通使用等情况。现将分布式传感技术引入管道建设，在管道建设时预埋传感光缆作为后期监测的重要手段，将对建成后的运营维护起到很大帮助。没有预埋的情况下，利用已敷设的通信光缆备用纤芯也是检测管道健康状况的可选方式。
管道在修建时一般长度在几十米到3公里之间，最长十几公里，如果利旧现网通信光缆，因光缆外层保护，系统需要很高的应力分辨率和温度分辨率，而空间分辨率达到1米就可以满足日常监测需求。根据以上条件，分布式光纤传感技术COTDR、BOTDR和BOTDA技术都能满足这项领域的应用。
3.2 接入网在线监测
通信接入网为网络节点之间的信息传递提供透明传输通道，一般采用光纤环型或树型组网模式。现有接入网依靠设备网管实现对传输通道的监测，往往发现告警时网络已断，缺乏对日常光纤质量的监测控制。随着新型光纤分布式传感器的出现，通信光纤网络的在线监测系统也成为可能。如图5所示，光纤传感监测系统可放置在汇聚机房，对所有进入汇聚机房的光缆线路进行检测；监测系统也可以利用空余纤芯组成监测环，作为现网网管的一个监测模块来实现监测功能。
接入层分两部分，一是基站接入，组网模式以环型和半弧形为主，因此非常适合采用OTDR形式的光纤分布式传感器。建立模型进行计算，网络优化后市区和县城区每个接入环大约3 ～ 6个基站，基站间光缆长度一般在2～ 8km左右，整个环路光缆总长约50 km；而县以下环上节点6 ～ 12个基站，基站间平均光缆长度在10 km左右，整个环路光缆总长100 km左右。按照现有运维需求，空间分辨率可以降低到10 ～ 50米。因此满足需求的分布式光纤传感系统为BOTDR和单边入射BOTDA。
图5 接入网光纤监测系统示意图
接入层的另一重要组成部分是目前规模愈来愈大的光纤到户宽带网络，如图5所示。它采用无源光网络（PON）设备进行组网，PON网络对自身业务提供QoS保证，但不包含对光缆的监控。随着光纤到户的普及，光缆环境的复杂多样，光缆监测成为需求热点，是运营商日常维护、处理障碍的重要辅助手段。根据现网模型，PON网络一般从光缆终端设备OLT到用户光节点ONU长度不超过10 km，综合业务区建成后，OLT到ONU的长度基本可在5 km以下，检测的空间分辨率可设置在5 ～ 10米。由于PON网络是树形组网，因此比较适合COTDR和BOTDR的分布式光纤传感方案。
4 结束语
本文从通信光缆及其它通信设施故障隐患监测需求出发，对现有新型分布式光纤传感方案进行分析比较，对不同通信应用场景适合的光缆监测传感方案进行了探讨。新型布式光纤传感器已经是国际和国内的研究热点之一，光纤同时作为传输介质和传感主体是一种趋势。随着科技的发展，光纤传感器的成本必将有所降低，可以预计能达到像OTDR那样普及。具备传感距离长，高精度测量和精确的空间分辨率的光纤传感器应用于通信光缆监测，将大大提高光缆监测系统的监测功能和可靠性。
