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分布式光纖振動傳感技術

分布式光纖振動傳感技術
　  
　  創新成果報告
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  上海華魏光纖傳感技術有限公司
　  2010年8月
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  目 錄
　  一、成果概要 3
　  二、前言和實施背景 3
　  三、成果內涵和具體做法 4
　  四、成果實施后所產生的效果 13
　  五、持續改進措施 14
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  一、成果概要
　  隨著經濟建設的發展，運用高科技的現代化手段加強安全防范工作，已經成為社會的迫切需求。目前安全防范系統主要使用攝像頭、紅外線等傳感器來進行監視。傳統的安防監控系統多為點式監測系統，它只能對局部位置進行監測，會出現盲區。而分布式光纖振動傳感器通過全面監測被監測物體周界的振動信號，來防止入侵事件的發生，從而達到安全防范的作用。
　  我公司基于社會安全防護的需要，研究基于Φ-光時域反射計技術，基于大功率超窄線寬單模光纖激光器的分布式光纖振動系統的傳感光纜埋設于室外，入侵者走在光纜上面或附近產生的壓力(振動)導致光纖中瑞利散射光相位發生變化，由于干涉作用，光相位變化將引起光強度的變化，通過實時將當前時刻的分布式光纖振動系統后向瑞利散射信號與其前一時刻的后向瑞利散射信號連續相減檢測這種干涉效應來定位入侵位置。該系統監測距離長達100KM,定位精度15m，運用先進的模型識別技術，可以準確判斷入侵事件的類型且系統的漏報和誤報率較低。
　  二、前言和實施背景
　  1、前言
　  上海華魏是專業從事分布式光纖傳感技術的研究開發，為交通、市政等基礎設施建設領域，電力、石油、煤炭等能源領域，石油化工、有色冶金等重化工業領域提供溫度、振動、壓力等監測的總體解決方案和應用服務，擁有自主品牌（BOOM品牌）的高新技術企業。經過近9年的發展，已在北京、成都、廣州、西安、武漢、沈陽、新疆設立了分支機構和數十家合作伙伴，建立了遍布全國的專業市場和技術服務網絡，以及在遼寧盤錦成立了油井監測子公司。公司建立了研發中心，已申請80多項發明專利和20多項實用新型專利，其中授權17項實用新型專利、7項軟件著作權、2件外觀及注冊商標2項， 21項發明進入實質審查階段；還制定了多個產品的企業標準（其中本創新成果企業標準為Q/TPOZ2-2009）。公司通過了ISO9001（2008）國際質量管理體系認證，在經營上更實現了營業收入、銷售利潤和企業資產的快速增長，上海華魏已成為全球最專業的分布式光纖傳感系統總體解決方案的提供和應用服務商。
　  分布式光纖振動傳感系統是近年發展起來的一種新型周界安防產品。 具有自主知識產權的該技術達到國際先進水平。我公司提供的光纖分布式振動傳感系統是專業針對相關領域的安全傳感問題，提供最佳解決方案的系統。目前已在多個領域實施項目的建設和應用，取得了較大的社會效益。
　  
　  2、實施背景
　  （1）隨著社會的高速發展，特別是物聯網時代的到來，傳感技術產業澎湃發展，光纖傳感技術是傳統電子傳感技術的替代技術，而在我國尚處于初始階段，市場和技術發展的空間巨大。
　  （2）光纖傳感技術是對事故預防的重要技術手段，其技術性能與傳統電子類傳感產品相比有無可比擬的優勢，在全球范圍的各個行業內已經全面應用，隨著成本的不斷降低，將會全面取代傳統的傳感系統。
　  （3）我公司是專業從事光纖傳感領域生產、研發、應用的高科技公司，匯聚了一批優秀的研發人才，在了解到國家安全和國防建設對高新技術的迫切需求后，聯合了國內多家高校和科研單位，并密切關注、消化吸收國內外最新技術。經過幾年的研發，開發出一套全新的光纖振動安防系統，技術功能填補了國內空白，達到國際先進水平。
　  三、成果內涵和具體做法
　  1、成果內涵
　  本項目分布式光纖振動系統采用基于光時域反射計 (OTDR)結構，利用Φ-光時域反射計的干涉機理，外界擾動作用在光纜上面或附近產生的壓力(振動)導致光纖中瑞利散射光相位發生變化，由于干涉作用，光相位變化將引起光強度的變化，通過實時將當前時刻的定位型分布式光纖振動系統后向瑞利散射信號與其前一時刻的后向瑞利散射信號連續相減檢測這種干涉效應來定位入侵位置。
　  基于Φ-光時域反射技術的分布式光纖振動系統的結構原理圖如圖1所示，其主要由光纖激光器、電光調制器、光纖放大器、帶通濾波器、光電轉換器、信號采集器、傳感光纜等組成。
　  圖1光纖傳感虛擬防區野戰入侵告警系統
　  
　  光纖激光器發出的超窄線寬激光，經電光調制器調制后，連續光被調制成一定頻率和脈沖寬度的脈沖光；調制后的脈沖激光被光纖放大器放大，并由帶通濾波器濾波，經環形器后，注入傳感光纜中。脈沖光在傳感光纜中會發生瑞利散射現象，產生的背向瑞利散射光經環形器后，進入1x2光纖耦合器1中；耦合器1將返回的背向瑞利散射光分成光強相同的兩路光，進入M-Z干涉儀的兩臂，兩臂的臂長不同；兩臂的光進入1x3光纖耦合器2，并在此發生干涉。干涉后的信號光分成三路光強相等，相位相差 的光。這三路光分別被光電轉換器轉換為電信號后，進入信號處理器進行數據處理；處理后的數據被信號采集器采集，并送入計算機進行進一步分析。系統根據分析結果，確定是否有非法振動事件的發生。
　  
　  2、關鍵技術及創新型
　  （1）窄線寬脈沖調制技術
　  與常規光時域反射計相比，Φ-光時域反射計需要極窄的線寬及極小的頻率漂移。窄線寬是Φ-光時域反射計系統的關鍵，是系統能夠響應光相位變化的基本條件，且線寬越窄，干涉作用就越明顯，系統的靈敏度就越高。極小的頻率漂移非常重要，因為頻率漂移會導致Φ-光時域反射計后向散射曲線發生抖動，使入侵引起的后向散射曲線的變化被淹沒，嚴重影響系統的性能。
　  本產品采用基于窄線寬脈沖外調制技術的光源的結構示意圖如圖2所示。窄線寬光纖激光器（光源）的輸出接入電光調制器輸入，電光調制器被電光調制器RF窄脈沖驅動模塊驅動輸出窄脈沖光，電光調制器輸出接入光放大器EDFA輸入，光放大器EDFA輸出所需大功率窄脈沖光。這種光源由于激光脈沖采用了外調制技術，光脈沖的譜寬變化影響很小，光脈沖的譜寬與窄線寬光源的譜寬基本保持一致，可達幾kHz，所以系統干涉作用明顯，探測靈敏度高，系統對于振動事件的定位識別精度高。
　  
　  
　  
　  
　  
　  圖2 基于窄線寬脈沖外調制技術的光源結構示意圖
　  （2）高精度偏置控制電光調制器驅動技術
　  電光調制器是一種高速電光轉換器，電光調制器經RF窄脈沖偏置驅動模塊驅動將輸入連續光調制輸出所需窄脈沖光。影響光強度調制器消光比可靠性的重要因素之一是電光調制器的直流漂移，為此需解決高精度偏置電路設計技術。
　  本項目采用的光強度調制器的高精度偏置控制電光調制器驅動裝置包括：高精度RF窄脈沖偏置驅動模塊、高精度D/A輸出控制模塊、高精度PD光接收模塊、高精度AD采集器、微處理器高精度溫度控制模塊、高精度集成溫度傳感器及制冷器。所述的高精度偏置控制電光調制器驅動裝置采用專用的動態自動搜尋控制電路實現，可靠性高，電路簡單。
　  基于高精度偏置控制電光調制器驅動技術的分布式光纖振動系統由于電光調制器采用了消光比自動控制技術，電光調制器產生光脈沖的消光比高達40 dB,而且溫度變化影響很小，工作穩定性好，所以系統干涉作用明顯，探測靈敏度高，系統工作穩定。
　  （3）超大長度分布式光纖傳感光接收機
　  光接收機的性能指標的好壞主要決定于接收機的信噪比與動態范圍。在本系統中，噪聲主要來源于背景光噪聲、光探測器噪聲以及放大電路噪聲。其中，光探測器的散粒噪聲及其前置放大器噪聲起主要作用。因此，在實際系統中，必須通過高效率的光濾波濾除信號光中的背景光，合理地設計雪崩光電二極管APD溫度補償電路以使APD雪崩管工作在最佳雪崩增益狀態，同時選擇設計低噪聲大動態范圍的前置放大器和主放大電路以減小電路的噪聲。
　  超大長度分布式光纖傳感光接收機的結構示意圖如圖3所示。光信號首先由光探測器和前置放大器進行光電變化和一次放大，然后由主放大器進行二次放大。自動增益控制電路(AGC)調節主放大器的增益，以防止由于信號過大使得接收機進入飽和狀態。
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  圖3 超大長度分布式光纖傳感光接收機的結構示意圖
　  本產品采用了先進的光探測發明專利技術是：一種接收靈敏度－65dB，帶寬為2OMHz，動態范圍50dB的超大長度分布式光纖傳感光接收機。使測量長度達到100KM.
　  （4）先進的雪崩光電二極管溫度補償電路
　  雪崩光電二極管(APD)是一種在高反向偏壓下工作的P-N結型光電二極管。由于其有很高的內增益(可達10)和極快的響應速度(頻率可達幾百兆赫),使這種管子具有十分高的探測靈敏度。
　  雪崩光電管在工作時,需要提供一定的反向工作電壓,通常使其反向工作電壓略低于其P-N結的擊穿電壓。偏壓太大,噪聲過高;偏壓太低,雪崩管的內增益減小。在實際應用中,根據單管的特性需要調整電阻RW的大小。在設計偏置電路時,考慮到雪崩管的P-N結擊穿電壓是隨著環境溫度而變化的,因而設置了溫度補償電路。
　  APD的光電轉換輸出的不穩定主要是由于環境溫度的變化使APD光電探測器的內部增益M不穩定，其特性是隨溫度的升高，APD光電探測器的內部增益M相應減小,所以為了保證APD光電探測器的內部增益M穩定，因此必須對APD光電探測器加以溫度補償。
　  高精度APD偏壓控制溫度補償電路的結構示意圖如圖4所示。APP溫度補償電路控制過程如下：常溫下設定APD光電探測器的反向偏置電壓，使APD光電探測器工作在最佳增益M狀態。當由于環境溫度變化時，使溫度采集電路采集APD光電探測器的溫度電壓信號變化，APD的偏置電壓模塊電壓輸出也相應變化，即VAPD變化，這樣，通常狀態下的平衡被打破，而VAPD電壓正是控制APD光電探測器內部增益M的電壓。因此，APD光電探測器內部增益M也相應變化了，APD光電轉換輸出相應變化，從而使光接收儀輸出電壓幅值保持不變；反之，亦然。
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  圖4 高精度APD偏壓控制溫度補償電路
　  （5）高速采集及處理技術
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