OTDR原理及其應用

山西科技 SHANXI SCIENCE AND TECHNOLOGY2010年第25卷第2期●信息技術(shù)OTDR原理及其應用李科,楊飛,陳峰華(太原科技大學(xué)應用科學(xué)學(xué)院,山西太原,030024)摘要:介紹了OmDR的測試原理和基于0TDR的分布式光纖傳感器的傳感原理,總結了它們在各個(gè)領(lǐng)域的應用情況,并指出了未來(lái)的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞:光時(shí)域反射儀;分布式光纖傳感器;瑞利散射;布里淵散射;拉曼散射中圖分類(lèi)號:TP212文獻標識碼:A文章編號:l0046429(2010)02-0046-03隨著(zhù)光纖通信技術(shù)的迅猛發(fā)展和不斷完善,光纖的應用日益質(zhì)的邊界,如連接器、機械接續斷裂或光纖終端時(shí)會(huì )發(fā)生菲涅廣泛。從軍用到民用,從信息傳輸載體到信號采集傳感,從遠程通耳反射散射和反射的部分光會(huì )沿著(zhù)光纖返回。信干線(xiàn)到城域數字電視網(wǎng)絡(luò )的構建,光纖正在社會(huì )的發(fā)展中發(fā)揮OTDR就是基于瑞利散射和菲涅耳反射的后向光來(lái)獲取檢著(zhù)重大的作用。與此同時(shí),光纖測試技術(shù)的發(fā)展愈來(lái)愈快對技術(shù)測信息的儀器。由OTDR自帶的激光器發(fā)射光脈沖到光纖內然指標的要求也越來(lái)越高。OTDR( Optical Time Domain Reflect-后在OTDR端口接收返回的信息。在光時(shí)域反射儀的面板上就me,光時(shí)域反射儀)就是用于光纖檢測的現代化儀器。其主要用可以看到輸出的曲線(xiàn)圖1就是一條有代表性的測試曲線(xiàn)于測量光纖的長(cháng)度和損耗特性,工作原理相當于光雷達,從光纖的曲線(xiàn)的縱軸以分貝表示,是用光檢測器檢測出的反射功率非破壞性地迅速探測光纖的多種特性如光纖的長(cháng)度斷點(diǎn)位與光纖的損耗對應,表達式為置、接頭位置、衰減系數鏈路損耗及反射損耗等是光纖通信和光纖應用中不可或缺的重要測試儀器。此外,基于OTDR原理的分布式光纖傳感器不僅具有一般光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)如無(wú)輻射、抗干其中,P和P分別表示OTDR端口檢測到的輸出功率和擾化學(xué)穩定性好等而且充分利用了光纖一維空間連續分布的特反射功率點(diǎn),可以在沿光纖路徑上同時(shí)得到被測量在時(shí)間和空間上的分布橫軸表示的是光脈沖傳輸的時(shí)間,與光纖長(cháng)度相對應。測出信息,在傳感領(lǐng)域也得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應用。從發(fā)射信號到返回信號所用的時(shí)間t,再確定光在光纖中的速度,利用公式(2)就可以計算出距離前端活接頭損耗末端損耗其中,c是光在真空中的速度,n為被測光纖的折射率(由光固定接續損耗活接頭損耗纖生產(chǎn)商來(lái)標明),chn就是光在光纖中的速度,2則是單程所用時(shí)間。這樣就可以將光脈沖傳輸時(shí)間t轉換為事件點(diǎn)距離OTDR當光脈沖在光纖內傳輸時(shí),會(huì )由于光纖本身的性質(zhì)、連接自身缺陷損耗器接合點(diǎn)彎曲或其他類(lèi)似的事件而產(chǎn)生散射和反射,其中一部分的散射光和反射光就會(huì )返回到OTDR中。返同的有用信息長(cháng)度(km)由OmTR的探測器來(lái)測量,它們就作為光纖內不同位置上的時(shí)圖1OTDR測試曲線(xiàn)間或曲線(xiàn)片斷。通過(guò)觀(guān)測曲線(xiàn)就可以了解整個(gè)光纖線(xiàn)路上的狀態(tài)變化從而獲取光纖的長(cháng)度損耗、斷點(diǎn)等信息1原理光在光纖中傳輸時(shí),由于光纖本身的缺陷和摻雜成分的非除用作光纖測試外,基于OTDR的其他時(shí)域反射儀還可用均勻性會(huì )使光發(fā)生瑞利散射。另外,當光遇到兩種不同折射率介作傳感器。光在光纖中傳輸時(shí)發(fā)生的散射包括瑞利散射布里淵散射和護晶甜纖的一種固有特性,是光波在中國煤菜化村率在微觀(guān)上隨機起伏收稿日期:2010-02-10而引起CNMHG光與聲波或傳播的壓力作者簡(jiǎn)介:1)李科男,1980年出生,2003年畢業(yè)于太原理波相互作用的結果,這個(gè)傳播的壓力波等效于一個(gè)以一定速度工大學(xué),講師,030024,山西省太原市和一定頻率移動(dòng)的密度光柵,因此,布里淵散射可看作是入射光李科,等:OTDR原理及其應用2010年第25卷第2期在移動(dòng)的光柵上的散射,多普勒效應使得散射光的頻率不同于D拉曼平移量人射光,當某一頻率的散射光與入射光、壓力波滿(mǎn)足相位匹配條玻爾茲曼常數件即布拉格行射條件時(shí),此頻率的散射光強為極大值。拉曼散T——絕對溫度值。射是入射光波的一個(gè)光子被一個(gè)聲子散射成為另一個(gè)低頻光實(shí)測斯托克斯與反斯托克斯光強之比可計算出溫度子,同時(shí)聲子完成其兩個(gè)振動(dòng)態(tài)之間的躍遷,拉曼散射光含有斯托克斯光和反斯托克斯光。如圖2所示,瑞利散射波長(cháng)不發(fā)生變k[Ina-In( s-)]化,而布里淵散射和拉曼散射是光與物質(zhì)發(fā)生非彈性散射時(shí)所由于 ROTDR直接測量的是拉曼反射光中斯托克斯光與反攜帶出的信息,散射波長(cháng)相對于入射波長(cháng)會(huì )發(fā)生偏移。斯托克斯光的光強之比,與其光強的絕對值無(wú)關(guān),因此,即使光光強I入射光波長(cháng)纖隨時(shí)間老化,光損耗增加,也仍可保證測溫精度。OTDR主要有以下5個(gè)方面的應用:①光纖斷點(diǎn)、光纖接頭瑞利散射甲淵散射松動(dòng)等故障的查找;②測量光纖長(cháng)度;③測量光纖總損耗、平均損耗;④測量連接器、連接點(diǎn)的損耗;⑤測量連接器的回波損耗OTDR產(chǎn)品發(fā)展非常迅速,技術(shù)不斷成熟,成本和價(jià)格也降低了反斯托克斯很多。目前商用的OTDR的最大動(dòng)態(tài)范圍可達45dB,最短盲區斯托克斯可以小于1m,最高采樣分辨率達到5cm。各項性能指標都能適應工程的需要?；?BOTDR與 BOTDA的分布式光纖傳感器應用領(lǐng)域相波長(cháng)A似,目前主要用于應變和溫度傳感。在這兩種傳感器中,溫度和圖2后向散射光分析BOTDR是基于布里淵散射的光時(shí)域反射儀,它將布里淵應力的變化都能產(chǎn)生布里淵頻移,在溫度變化不大的情況下,常時(shí)和oTDR探測技術(shù)結合在一起可以用來(lái)實(shí)現分布式傳感。這常忽略溫度的作用。溫度變化較大時(shí)可以采用“補償應變片的方法即在測試應變的光纖附近再放置一根沒(méi)有應變的光纖,對時(shí),OTDR的探測器接收的是布里淵后向散射光,它相對于入射測試光纖進(jìn)行溫度補償,這樣在所測得的布里淵頻移中扣除溫光脈沖會(huì )發(fā)生頻移。布里淵頻移v主要由入射光頻率n、纖芯折射率n、光纖內聲速V等決定度變化所引起的布里淵頻移就可最終確定應力的變化。由于它們對于應力應變更為敏感,因此,在應變傳感上的應用更為廣v=(vdc )nv(3)泛。例如可以用于橋梁形變檢測河道應變檢測船體應變檢測當光纖的溫度和應變發(fā)生變化時(shí),光纖纖芯的折射率n和聲速V會(huì )發(fā)生相應的變化,從而導致布里淵頻移的改變。通過(guò)檢測隧道應變檢測、建筑物健康監測、通信類(lèi)光纖光纜的質(zhì)量監測和維護等。日本的Ando公司開(kāi)發(fā)出的基于布里淵散射的光纖應變布里淵頻移的變化量就可獲知溫度和應變的變化量。同時(shí)通過(guò)測量?jì)x應變測量精度達到±001%距離分辨率達到1m測定該散射光的回波時(shí)間就可確定散射點(diǎn)的位置于 ROTDR的分布式光纖傳感器主要應用于溫度的監測,目前,基于布里淵散射的溫度和應變傳感技術(shù)的時(shí)域反射研究在電力系統中主要應用于:①電力電纜的表面溫度監測監控,主要有兩種,一是基于 BOTDR的分布式光纖傳感技術(shù),二是基于布故障點(diǎn)定位以及電纜隧道的防火報警;②各種大中型發(fā)電機、變里淵光時(shí)域分析( BOTDA)的分布式光纖傳感技術(shù)。兩種傳感技術(shù)對壓器、電動(dòng)機的溫度分布測量熱保護以及故障診斷;③火力發(fā)空間的定位都是基于OTDR,通過(guò)反射信號和入射信號之間的時(shí)間電站的加熱系統、蒸汽管路、輸油管道的溫度監視和故障點(diǎn)檢差來(lái)確定空間位置。 BOTDR的自發(fā)布里淵散射信號相當微弱(比瑞利散射約小兩個(gè)數量級)檢測比較困難因此基于 BOTDR的分布測④地下變電站和戶(hù)內封閉式變電站的設備溫度監測。在化工系統中主要應用于:①易燃材料倉庫油庫、油管的溫度監測及式光纖傳感技術(shù)的研究主要集中在布里淵信號的檢測上。故障點(diǎn)檢測;②各種化工原料、自動(dòng)加熱流水作業(yè)、生產(chǎn)線(xiàn)的溫ROTDR是基于拉曼散射的光時(shí)域反射儀,它也可以在分布度監測及故障檢測;③各種加熱系統恒溫設備的溫度監測及故式光纖傳感器中得到很好的應用。由于拉曼散射光中斯托克斯障點(diǎn)檢測。除此之外在海洋開(kāi)發(fā)建筑系統等也有很廣泛的應光的光強與溫度無(wú)關(guān),而反斯托克斯光的光強會(huì )隨溫度變化,因此,反斯托克斯光光強l與斯托克斯光光強l之比和溫度T之用。有人使用長(cháng)波段的LD作光源用該系統對2km的光纖進(jìn)行測試,實(shí)際測溫精度達到±1K,空間分辨率達到1m間的關(guān)系可用公式(4)表示:(4)中國煤化工器,已被廣泛地應用于光纖通式中:a與溫度相關(guān)的系數;CNMH分布式光纖傳感器也越h——普朗克常數;來(lái)越多地被關(guān)注?，F在ODR和 ROTDR的研究已經(jīng)日趨完善,c——真空中的光速;(下轉第51頁(yè))安大偉,等:關(guān)于電能質(zhì)量管理軟件研發(fā)的探討2010年第25卷第2期在該軟件內部完成彩”分背景、網(wǎng)絡(luò )圖形和監測點(diǎn)進(jìn)行個(gè)性化設置。當鼠標移動(dòng)到INI數據查詢(xún)模塊為各子模塊內部以及子模塊間獲得控制信某一監測點(diǎn),狀態(tài)欄將動(dòng)態(tài)顯示該點(diǎn)的監測點(diǎn)名稱(chēng)、所屬變電所息以及其余非電能質(zhì)量監測數據的公共通道。其余子模塊通過(guò)向名最小短路容量等信息?！癒線(xiàn)圖”窗口以類(lèi)似股票市場(chǎng)K線(xiàn)圖該模塊提交檢索信息,返冋值供子模塊內部數據處理、邏輯判斷的方式描述電能質(zhì)量參數(最大值、95%概率統計值、平均值)在或是子模塊間進(jìn)行通信的需要。通過(guò)檢索,可以獲得監測點(diǎn)在電定時(shí)間內的變化趨勢,使枯燥的數據更加生動(dòng)網(wǎng)圖中所處坐標、監測點(diǎn)名稱(chēng)、所屬變電所名、最小短路容量、測33常規分析模塊量點(diǎn)電壓等級、主變型號、主變最小短路容量、監測點(diǎn)電話(huà)號碼實(shí)現供電系統隨機諧波潮流計箅(諧波電壓電流分布計算用戶(hù)協(xié)議容量、用戶(hù)設備容量以及所在線(xiàn)路是否為諧波專(zhuān)用線(xiàn)電容器投入的諧波放大等不同運行方式下隨機諧波發(fā)射水平的估路、數據文檔路徑等電網(wǎng)信息供相關(guān)子模塊調用。IN文件是計。采用基于電流注入法的Mnte-Caro隨機分布模擬?？紤]兩Windows操作系統中一種專(zhuān)門(mén)用來(lái)保存應用程序初始化信息和種基本的分布方式:正態(tài)分布和均勻分布調諧波參數為均值與運行環(huán)境信息的文本文件。該文件的文本數據具有一定查詢(xún)功能方差。使用 Monte- Carlo模擬的最大優(yōu)點(diǎn)是它能給出隨機變化諧的段( SECTION)的結構每個(gè)段結構為若干的關(guān)鍵字( KEY WORD)波多重迭加后的綜合水平。及相應的值( VALUE)列表組成,利用 Windows操作系統提供的參考文AP函數可對此結構進(jìn)行快速的格式化讀寫(xiě)。同時(shí),其文本文件[1]吳竟昌供電系統諧波[M]第1版北京:中國電力出版社的屬性也使得所建立的查訊信息結構可以通過(guò)多種文本編輯器1998進(jìn)行編輯、查看,面向用戶(hù)更加開(kāi)放。監測點(diǎn)數據信息的查詢(xún)生[2]鄭人杰,殷人昆,陶永雷實(shí)用軟件工程[M]第2版,北京:成以及刪除功能就是通過(guò)對IN文件的讀寫(xiě)實(shí)現的。清華大學(xué)出版社,2001.聯(lián)網(wǎng)分析顯示模塊維護主界面、“K線(xiàn)圖”窗口以及詳細統計[3]張昆生,曉黃AP! Ifor Windows詳解[M].北京:清華大學(xué)數據的圖形化顯示。監測網(wǎng)的色彩顯示可以通過(guò)選擇“顯示色出版社,2001Exploration of Power Quality Management Software DevelopmentAn Dawei, ZhANG JihongABSTRACT: Aiming at the inadequacy of the power quality monitoring software, combining with the latest technology, the openpower quality management software is designed and developed. This paper introduces the technical characteristics, basic function and pro-gram module design of the software, and forecasts its application prospect.KEYWORDS: power quality; inspection system; data files management;reports,,,,…,(上接第47頁(yè)BOTDR的研究正在不斷深人,市場(chǎng)上也有了 BOTDR的商用產(chǎn)[2]郭建平OTDR的測試原理及注意事項[門(mén)].中國有線(xiàn)電視品,其測量精度髙、穩定性好,但是價(jià)格昂貴。因此,如何降低2004(15):61-63.BOTDR的成本將是一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。隨著(zhù)基于各種[3]余麗蘋(píng),劉永智代志勇.布里淵散射分布式光纖傳感器[JOTDR的分布式光纖傳感技術(shù)的不斷發(fā)展,分布式光纖傳感器將激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2006(4):24-28會(huì )有更為廣闊的應用前景[4]倪玉婷,呂辰剛,葛春風(fēng),等基于OTDR的分布式光纖傳感參考文獻器原理及其應用[J]光纖與電纜及其應用技術(shù),2006(1):[1]周廣麗,鄂書(shū)林,鄧文淵.光纖溫度傳感器的研究和應用[]光通信技術(shù),2007(6):54-57Principle and Application of Optical Time Domain Reflect-meterLI ke, YANG Fei, CHEN FenghuaABSTRACT: The testing principle of OTDR and the sensing principl中國煤化工 sed on OTDR are intro-ed, their applications in many fields are summarized, and their developingCNMHGKEYWORDS: Optical Time Domain Reflect-metei distributed opticarillouin scattering; Ramanscattering