分布式光纤振动传感技术

分布式光纤振动传感技术
　  
　  创新成果报告
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  上海华魏光纤传感技术有限公司
　  2010年8月
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  目 录
　  一、成果概要 3
　  二、前言和实施背景 3
　  三、成果内涵和具体做法 4
　  四、成果实施后所产生的效果 13
　  五、持续改进措施 14
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  一、成果概要
　  随着经济建设的发展，运用高科技的现代化手段加强安全防范工作，已经成为社会的迫切需求。目前安全防范系统主要使用摄像头、红外线等传感器来进行监视。传统的安防监控系统多为点式监测系统，它只能对局部位置进行监测，会出现盲区。而分布式光纤振动传感器通过全面监测被监测物体周界的振动信号，来防止入侵事件的发生，从而达到安全防范的作用。
　  我公司基于社会安全防护的需要，研究基于Φ-光时域反射计技术，基于大功率超窄线宽单模光纤激光器的分布式光纤振动系统的传感光缆埋设于室外，入侵者走在光缆上面或附近产生的压力(振动)导致光纤中瑞利散射光相位发生变化，由于干涉作用，光相位变化将引起光强度的变化，通过实时将当前时刻的分布式光纤振动系统后向瑞利散射信号与其前一时刻的后向瑞利散射信号连续相减检测这种干涉效应来定位入侵位置。该系统监测距离长达100KM,定位精度15m，运用先进的模型识别技术，可以准确判断入侵事件的类型且系统的漏报和误报率较低。
　  二、前言和实施背景
　  1、前言
　  上海华魏是专业从事分布式光纤传感技术的研究开发，为交通、市政等基础设施建设领域，电力、石油、煤炭等能源领域，石油化工、有色冶金等重化工业领域提供温度、振动、压力等监测的总体解决方案和应用服务，拥有自主品牌（BOOM品牌）的高新技术企业。经过近9年的发展，已在北京、成都、广州、西安、武汉、沈阳、新疆设立了分支机构和数十家合作伙伴，建立了遍布全国的专业市场和技术服务网络，以及在辽宁盘锦成立了油井监测子公司。公司建立了研发中心，已申请80多项发明专利和20多项实用新型专利，其中授权17项实用新型专利、7项软件著作权、2件外观及注册商标2项， 21项发明进入实质审查阶段；还制定了多个产品的企业标准（其中本创新成果企业标准为Q/TPOZ2-2009）。公司通过了ISO9001（2008）国际质量管理体系认证，在经营上更实现了营业收入、销售利润和企业资产的快速增长，上海华魏已成为全球最专业的分布式光纤传感系统总体解决方案的提供和应用服务商。
　  分布式光纤振动传感系统是近年发展起来的一种新型周界安防产品。 具有自主知识产权的该技术达到国际先进水平。我公司提供的光纤分布式振动传感系统是专业针对相关领域的安全传感问题，提供最佳解决方案的系统。目前已在多个领域实施项目的建设和应用，取得了较大的社会效益。
　  
　  2、实施背景
　  （1）随着社会的高速发展，特别是物联网时代的到来，传感技术产业澎湃发展，光纤传感技术是传统电子传感技术的替代技术，而在我国尚处于初始阶段，市场和技术发展的空间巨大。
　  （2）光纤传感技术是对事故预防的重要技术手段，其技术性能与传统电子类传感产品相比有无可比拟的优势，在全球范围的各个行业内已经全面应用，随着成本的不断降低，将会全面取代传统的传感系统。
　  （3）我公司是专业从事光纤传感领域生产、研发、应用的高科技公司，汇聚了一批优秀的研发人才，在了解到国家安全和国防建设对高新技术的迫切需求后，联合了国内多家高校和科研单位，并密切关注、消化吸收国内外最新技术。经过几年的研发，开发出一套全新的光纤振动安防系统，技术功能填补了国内空白，达到国际先进水平。
　  三、成果内涵和具体做法
　  1、成果内涵
　  本项目分布式光纤振动系统采用基于光时域反射计 (OTDR)结构，利用Φ-光时域反射计的干涉机理，外界扰动作用在光缆上面或附近产生的压力(振动)导致光纤中瑞利散射光相位发生变化，由于干涉作用，光相位变化将引起光强度的变化，通过实时将当前时刻的定位型分布式光纤振动系统后向瑞利散射信号与其前一时刻的后向瑞利散射信号连续相减检测这种干涉效应来定位入侵位置。
　  基于Φ-光时域反射技术的分布式光纤振动系统的结构原理图如图1所示，其主要由光纤激光器、电光调制器、光纤放大器、带通滤波器、光电转换器、信号采集器、传感光缆等组成。
　  图1光纤传感虚拟防区野战入侵告警系统
　  
　  光纤激光器发出的超窄线宽激光，经电光调制器调制后，连续光被调制成一定频率和脉冲宽度的脉冲光；调制后的脉冲激光被光纤放大器放大，并由带通滤波器滤波，经环形器后，注入传感光缆中。脉冲光在传感光缆中会发生瑞利散射现象，产生的背向瑞利散射光经环形器后，进入1x2光纤耦合器1中；耦合器1将返回的背向瑞利散射光分成光强相同的两路光，进入M-Z干涉仪的两臂，两臂的臂长不同；两臂的光进入1x3光纤耦合器2，并在此发生干涉。干涉后的信号光分成三路光强相等，相位相差 的光。这三路光分别被光电转换器转换为电信号后，进入信号处理器进行数据处理；处理后的数据被信号采集器采集，并送入计算机进行进一步分析。系统根据分析结果，确定是否有非法振动事件的发生。
　  
　  2、关键技术及创新型
　  （1）窄线宽脉冲调制技术
　  与常规光时域反射计相比，Φ-光时域反射计需要极窄的线宽及极小的频率漂移。窄线宽是Φ-光时域反射计系统的关键，是系统能够响应光相位变化的基本条件，且线宽越窄，干涉作用就越明显，系统的灵敏度就越高。极小的频率漂移非常重要，因为频率漂移会导致Φ-光时域反射计后向散射曲线发生抖动，使入侵引起的后向散射曲线的变化被淹没，严重影响系统的性能。
　  本产品采用基于窄线宽脉冲外调制技术的光源的结构示意图如图2所示。窄线宽光纤激光器（光源）的输出接入电光调制器输入，电光调制器被电光调制器RF窄脉冲驱动模块驱动输出窄脉冲光，电光调制器输出接入光放大器EDFA输入，光放大器EDFA输出所需大功率窄脉冲光。这种光源由于激光脉冲采用了外调制技术，光脉冲的谱宽变化影响很小，光脉冲的谱宽与窄线宽光源的谱宽基本保持一致，可达几kHz，所以系统干涉作用明显，探测灵敏度高，系统对于振动事件的定位识别精度高。
　  
　  
　  
　  
　  
　  图2 基于窄线宽脉冲外调制技术的光源结构示意图
　  （2）高精度偏置控制电光调制器驱动技术
　  电光调制器是一种高速电光转换器，电光调制器经RF窄脉冲偏置驱动模块驱动将输入连续光调制输出所需窄脉冲光。影响光强度调制器消光比可靠性的重要因素之一是电光调制器的直流漂移，为此需解决高精度偏置电路设计技术。
　  本项目采用的光强度调制器的高精度偏置控制电光调制器驱动装置包括：高精度RF窄脉冲偏置驱动模块、高精度D/A输出控制模块、高精度PD光接收模块、高精度AD采集器、微处理器高精度温度控制模块、高精度集成温度传感器及制冷器。所述的高精度偏置控制电光调制器驱动装置采用专用的动态自动搜寻控制电路实现，可靠性高，电路简单。
　  基于高精度偏置控制电光调制器驱动技术的分布式光纤振动系统由于电光调制器采用了消光比自动控制技术，电光调制器产生光脉冲的消光比高达40 dB,而且温度变化影响很小，工作稳定性好，所以系统干涉作用明显，探测灵敏度高，系统工作稳定。
　  （3）超大长度分布式光纤传感光接收机
　  光接收机的性能指标的好坏主要决定于接收机的信噪比与动态范围。在本系统中，噪声主要来源于背景光噪声、光探测器噪声以及放大电路噪声。其中，光探测器的散粒噪声及其前置放大器噪声起主要作用。因此，在实际系统中，必须通过高效率的光滤波滤除信号光中的背景光，合理地设计雪崩光电二极管APD温度补偿电路以使APD雪崩管工作在最佳雪崩增益状态，同时选择设计低噪声大动态范围的前置放大器和主放大电路以减小电路的噪声。
　  超大长度分布式光纤传感光接收机的结构示意图如图3所示。光信号首先由光探测器和前置放大器进行光电变化和一次放大，然后由主放大器进行二次放大。自动增益控制电路(AGC)调节主放大器的增益，以防止由于信号过大使得接收机进入饱和状态。
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  图3 超大长度分布式光纤传感光接收机的结构示意图
　  本产品采用了先进的光探测发明专利技术是：一种接收灵敏度－65dB，带宽为2OMHz，动态范围50dB的超大长度分布式光纤传感光接收机。使测量长度达到100KM.
　  （4）先进的雪崩光电二极管温度补偿电路
　  雪崩光电二极管(APD)是一种在高反向偏压下工作的P-N结型光电二极管。由于其有很高的内增益(可达10)和极快的响应速度(频率可达几百兆赫),使这种管子具有十分高的探测灵敏度。
　  雪崩光电管在工作时,需要提供一定的反向工作电压,通常使其反向工作电压略低于其P-N结的击穿电压。偏压太大,噪声过高;偏压太低,雪崩管的内增益减小。在实际应用中,根据单管的特性需要调整电阻RW的大小。在设计偏置电路时,考虑到雪崩管的P-N结击穿电压是随着环境温度而变化的,因而设置了温度补偿电路。
　  APD的光电转换输出的不稳定主要是由于环境温度的变化使APD光电探测器的内部增益M不稳定，其特性是随温度的升高，APD光电探测器的内部增益M相应减小,所以为了保证APD光电探测器的内部增益M稳定，因此必须对APD光电探测器加以温度补偿。
　  高精度APD偏压控制温度补偿电路的结构示意图如图4所示。APP温度补偿电路控制过程如下：常温下设定APD光电探测器的反向偏置电压，使APD光电探测器工作在最佳增益M状态。当由于环境温度变化时，使温度采集电路采集APD光电探测器的温度电压信号变化，APD的偏置电压模块电压输出也相应变化，即VAPD变化，这样，通常状态下的平衡被打破，而VAPD电压正是控制APD光电探测器内部增益M的电压。因此，APD光电探测器内部增益M也相应变化了，APD光电转换输出相应变化，从而使光接收仪输出电压幅值保持不变；反之，亦然。
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  图4 高精度APD偏压控制温度补偿电路
　  （5）高速采集及处理技术
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