相位敏感光时域反射仪的技术原理和激光器的选择

相位敏感光时域反射仪（Φ-OTDR ）的技术和激光器的选择

目录

•光纤中的散射及分布式光纤传感的基本概念•Φ-OTDR的技术原理

•Φ-OTDR系统对激光器的要求

•上海瀚宇CoSF-D型DFB单频光纤激光器•单频光纤激光器和单频半导体激光器•CoSF-D型DFB单频光纤激光器的可靠性•上海瀚宇针对Φ-OTDR系统的解决方案•总结

光纤中的散射-分布式光纤传感

基本概念

基本概念

•OTDR：Optical Time Domain Reflectometer光时域反射仪

•Φ-OTDR ：Phase Sensitive Optical Time Domain Reflectometer相位敏感光时域反射仪

•BOTDR：Brillouin Optical Time Domain Reflectometer布里渊光时域反射仪

•ROTDR：Raman Optical Time Domain Reflectometer拉曼光时域反射仪•Rayleigh Scattering：瑞利散射

•SBS：Stimulated Brillouin Scattering受激布里渊散射

•EOM：Electrical Optical Modulator电光调制器

•AOM：Acoustic Optical Modulator声光调制器

•EDFA：Erbium-Doped Fiber Amplifier掺铒光纤放大器

光纤中光的散射

•瑞利散射用于相位敏感光时域反射仪-Φ-OTDR •拉曼散射用于分布式温度传感器--ROTDR

光纤中光的散射

•瑞利散射：入射光子与介质分子发生弹性碰撞产生，瑞利散射光的波长于入射光的波长相同，是光纤中强度最高的散射光成分

•布里渊散射：光纤中入射光的光子和介质材料的声学声子发生非弹性碰撞产生，强度比瑞利散射低20-30dB，在1550nm波长布里渊频移大约为11.2GHz

•拉曼散射：入射光子和光纤介质的分子运动相互作用，非弹性碰撞产生，光学光子和光学声子作用，频移量大于布里渊频移，容易与入射光分离，频移最高约为

13.2THz，对于1550nm来说，拉曼散射光波长差大约100nm。强度比布里渊散

射低一个数量级

瑞利散射的主要特征：

1.散射波与入射波的频率（或者波长）相同

2.散射光的强度与入射光波长的四次方成反比

OTDR—光时域反射仪

•分布式光纤传感系统的空间定位通常会采用OTDR （Optical Time Domain Reflectometer)技术

•向光纤中注入一个光脉冲，通过反射信号和入射脉冲之间的时间差来确定空间的位置，工作机理类似于激光雷达。其中：Z为空间距离，c为光速，n为光纤纤芯折射率，T为光传输时间

•距离（Z）= 光速(c) x 时间T/2

OTDR—光时域反射技术的空间定位

•脉冲重复频率决定了OTDR的最大工作距离，相互关系满足下列关系式：

【举例】实现1000米的工作距离，脉冲重复频率需要<150kHz

•脉冲宽度决定了空间的定位精度，定义为距离分辨率或者叫空间分辨率：

【举例】10ns的脉冲宽度相当于空间分辨率大约为1.0米（纤芯折射率n=1.5）

基于反向散射的分布式光纤传感系统

•OTDR，ROTDR，BOTDR

基于干涉仪原理的分布式光纤传感技术

相位敏感光时域反射仪-分布式光纤微振动传感

Φ-OTDR

的技术原理

相位敏感光时域反射仪（Φ-OTDR）

•基于相位敏感光时域反射仪（Φ-OTDR）的分布式光纤传感系统结构类似于常规OTDR 系统

•Φ-OTDR系统采用超窄线宽激光器作为光源，具有高相干性

•窄线宽单频激光器产生的连续光经过光脉冲调制器调制成脉冲光，然后再经过掺铒光纤放大器放大后注入到传感光纤，光纤中产生的后向散射光经过探测器进行光电转换，通过数据采集卡进行采集后传输至电脑，对相邻时刻的探测曲线进行减法操作即可得到扰动位置信息

Φ-OTDR 的传感原理

•基于Φ-OTDR 原理的分布式光纤传感技术是一种

基于瑞利散射的OTDR 技术

•与常规OTDR 所使用的宽带光源不同，Φ-OTDR 使用超窄线宽单频激光器作为光源

•它利用了脉冲宽度内的后向瑞利光之间的干涉效应，是一种将干涉效应和OTDR 结合起来的新技术，很好的结合了二者高灵敏度和长距离分布式

测量的优势

•当光纤沿线上某一位置点处发生入侵（扰动），那么该位置处的光纤折射率和光纤长度将发生变化，进而导致该处的后向瑞利散射光的相位受到

调制

•最终体现在探测器所检测到的后向散射光功率的变化，也即后向散射光产生的干涉波纹的变化•对前后两次的后向散射光功率曲线相减即可实现

Φ-OTDR 系统的主要性能指标

•灵敏度：

•灵敏度是衡量传感系统的一个重要参数，其定义为输出信号与输入信号的比值

•Φ-OTDR 的激光器有非常窄的线宽，因此基于此系统的传感器能够快速响应光相位的变化，具有较高的灵敏度；且线宽越窄，灵敏度越高

•信噪比：

•信噪比是衡量传感系统的另一项重要指标，其定义为传感器的输出有用信号与噪声强度的比值

•空间分辨率：

•空间分辨率是指可观测到的被测参量的最小变化值。在分布式光纤传感系统中，它表征了系统能区别两个相邻事件的能力

•空间分辨率主要由传感系统的探测光脉冲宽度，光电转换的响应时间以及A/D 转换速度和放大电路的频带宽度等决定。从实际情况看，起决定作用的是探测光脉冲宽度•定位精度：

•入侵检测到的位置与真实位置之间的接近程度