[发明专利]一种提高Φ-OTDR分布式光纤传感系统性能的方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及光纤技术领域，具体涉及一种利用拉曼混合放大技术提高Ф-OTDR分布式光纤传感系统性能的方法及系统。 

背景技术

在物联网风潮的推动下，伴随着人们对军事基地、发电站、变电站、储油基地、危险品仓库、高端小区等场所的安全性要求越来越高，各种智能安防技术正受到人们密切的关注，新型的安防系统有着非常重要的经济价值和社会价值。基于Ф-OTDR技术的分布式光纤传感系统，与普通传感系统相比具有无可比拟的优势，该系统以相位作为测量参数，具有极高的灵敏度，传感元件、光缆都埋藏于地下，具有极强的隐蔽性，另外其具有全程无源、抗电磁干扰、电绝缘性好、定位准确、响应及时、不受地形限制、易于安装等优势，使其有可能成为大范围分布式监测技术的最佳选择之一。 

随着传感距离的增加，受光纤损耗及瑞利散射等的影响，脉冲光能量急剧下降，从而限制了整个系统的传感距离。提高传感距离最直接的方法是增大探测脉冲光的功率，传统的Ф-OTDR(相位敏感光时域反射计，phase-sensitive optical time-domain reflectometer)系统一般采用集中式放大技术，即探测光进入光纤前应用掺铒光纤光放大器(EDFA)将脉冲功率放大，由于过高的脉冲能量导致： 

①前端容易出现非线性效应，这不仅会干扰传感信号，而且当信号光功率大于光纤布里渊阈值后，信号光会产生受激布里渊效应，导致信号光功率在入 射端附近急剧下降，能量急剧向布里渊散射光转换，从而使得信号光的传输距离不能得到有效增加。 

②光纤中功率分布不均衡，使得前后端的传感光纤灵敏度差别很大，并且在同样的环境下，前端光纤更容易受环境噪声的影响，尤其是外界噪声变化较大时，后端的扰动信号会被噪声淹没，将会大大降低系统远端性能，增加误报率。虽然使用均衡的方法可以一定程度解决这个问题，但是后端功率太小导致入侵信号的信噪比降低，入侵信号不易识别，严重影响了系统的信噪比。受此影响，基于集总式放大技术的Ф-OTDR系统传感距离＜30km。 

另一方面，由于系统分辨率与探测脉冲宽度成反比，随着系统对空间分辨率及测量距离要求的进一步提高，脉冲宽度将会越来越窄，信号的占空比也越来越小，从而导致信噪比的急剧下降。从1993年H.F.Taylor提出了Ф-OTDR技术(见H.F.Taylor and C.E.Lee，Apparatus and method for fiber optic intrusion sensing，U.S.Patent 5 194 847，Mar.16，1993.)到现在，该技术取得了极大的发展，1998年S.V.Shatalin等人提出了Ф-OTDR系统可以用于分布式温度和扰动监测(见S.V.Shatalin，V.N.Treschikov，and A.J.Rogers，Interferometric optical time-domain reflectometry for distributed optical-fiber sensing，Appl.Opt.，1998，37：5600-5604，)。K.N.Choi等人在2003年利用一个超窄线宽低频率漂移的激光器，完成了Ф-OTDR分布式光纤传感系统用于地面入侵探测，定位精度达到1km，定位范围为12km(见K N Choi and H F Taylor.Spectrally stable Er：fiber laser for application in phase-sensitive optical time-domain reflectometry.IEEE Photon.Technol.Lett.，2003，15(3)：386-389)。2009年，Y J，Rao报道了将一阶双向拉曼放大用于Ф-OTDR系统，进一步延长了该系统的传感距离(见Y J，Rao et al.Long-distance fiber-optic Ф-OTDR intrusion sensing system，20th International  Conference on Optical Fibre Sensors)。但是在长距离(＞50km)Ф-OTDR传感系统中，由于拉曼泵浦的功率及拉曼增益系数沿光纤呈指数衰减，使得该方法不能彻底消除功率分布不均现象，且传感距离愈长，波动愈严重，其结果是在传感信号分布上出现了一个大范围、低信噪比的测量“盲区”。另一方面，一阶拉曼泵浦的效率较低，而在长距离传感系统中，对拉曼泵浦功率的要求很高，从而极大提高了系统成本。