引用本文:

施羿,王原野,赵雷. 基于双谱边际谱的Φ-OTDR临近双振源定位方法[J]. 光通信技术,2020,44(1):14-19.

基于双谱边际谱的Φ-OTDR临近双振源定位方法

施 羿,王原野,赵 雷

(汕头大学 广东省数字信号与图像处理技术重点实验室,广东 汕头 515063)

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摘要:针对相位敏感型光时域反射仪(Φ-OTDR)系统无法分别定位间距小于其脉冲宽度的临近双振源的问题,通过分析临近双振源条件下Φ-OTDR信号的高次谐波特征及其在空间中的分布特性,提出一种基于双谱边际谱的定位方法。该方法在不改变硬件器件的情况下,可提高Φ-OTDR系统对临近双振源的分辨能力。实验测试表明:在200 ns脉冲宽度下(对应20 m空间分辨率),无论双振源以不同频率还是以相同频率振动,该方法均能分辨并分别定位相距5 m的2个振源。该研究工作将促进Φ-OTDR在管道安全监测以及结构健康监测中的应用。

关键词:相位敏感型光时域反射仪;双谱;高次谐波;空间分辨率

中图分类号:TP212 文献标志码:文章编号:1002-5561(2020)01-0014-06

DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2020.01.004

0 引言
      1993年,H. F.Taylor等人首次提出可以使用光纤中的相干背向瑞利散射光作为检测工具,并基于此提出了相位敏感型光时域反射仪(Φ-OTDR) [1] 技术。相比于普通OTDR,Φ-OTDR技术引入了光干涉过程,因而对光相位的变化非常敏感,可以用于探测动态过程,如振动信号和声信号等。Φ-OTDR根据散射光光强的变化,可在数千米至数十千米的范围内对振源进行米级精度的定位。目前,Φ-OTDR在周界安防、油气管道安全预警、火车追踪与定位和结构健康监测等领域展开了广泛的应用[2-9]。
  Φ-OTDR中通过向光纤中注入光脉冲产生背向瑞利散射光,但由于光脉冲具有一定宽度,因此Φ-OTDR的空间分辨能力受到限制,一般将光脉冲宽度一半所对应的空间距离称为Φ-OTDR的空间分辨率(SR)。在管道预警、结构健康监测等领域,时常会出现多个振动事件同时发生的情况,且各个振动源之间的距离可能相距较远,也可能相距很近,甚至小于SR。当2个振源的间距小于SR时,Φ-OTDR系统无法分别对它们定位。因此,需要提高Φ-OTDR的空间分辨能力(即降低SR),其方法则是使用更窄的探测脉冲。Rao Y J等人提出了一种基于Φ-OTDR的长距离入 侵探测系统,其使用100 ns的光脉冲,获得了10 m的SR[10]。Murray Matthew J等人则在多模光纤中使用20 ns的光脉冲,得到了2 m的SR[11]。但是,受到光调制器件性能的限制(一般为声光调制器、半导体调制器或电光调制器),光脉冲的上升沿和下降沿均为数纳秒,因此通过常规手段难以获得更窄的光脉冲。此外,光脉冲的宽度决定了注入光纤中光能量的大小,并决定了散射光的强度。随着光脉冲在光纤中传播,散射光强将越来越弱,并最终淹没在背景噪声之中。因此,光脉冲宽度与 Φ-OTDR的有效传感距离成正比例关系,使用更窄的光脉冲将降低 Φ-OTDR的有效传感距离。
  为了在一定的脉冲宽度下实现对临近双振源的分别定位,本文对临近双振源条件下的Φ-OTDR检测信号进行建模和分析。

5 结束语
       传统的Φ-OTDR定位算法无法区分距离小于空间分辨率的2个振源。本文通过对双振源条件下Φ-OTDR信号特性的研究,提出了一种基于双谱边际谱分析的定位方法,通过分析双谱边际谱在空间中的分布,获得3类瑞利散射光在空间中的分布,进而确定临近双振源的各自的具体位置。实验测试表明:该方法在200 ns的脉冲条件下可成功将相距5 m的2个振源分别进行定位,验证了该方法的有效性。