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(yīng)用李科,楊飛,陳峰華(太原科技大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院,山西太原,030024)摘要:介紹了OmDR的測(cè)試原理和基于0TDR的分布式光纖傳感器的傳感原理,總結(jié)了它們?cè)诟鱾€(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用情況,并指出了未來的發(fā)展趨勢(shì)。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;拉曼散射中圖分類號(hào):TP212文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):l0046429(2010)02-0046-03隨著光纖通信技術(shù)的迅猛發(fā)展和不斷完善,光纖的應(yīng)用日益質(zhì)的邊界,如連接器、機(jī)械接續(xù)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(hào)采集傳感,從遠(yuǎn)程通耳反射散射和反射的部分光會(huì)沿著光纖返回。信干線到城域數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)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獲取檢著重大的作用。與此同時(shí),光纖測(cè)試技術(shù)的發(fā)展愈來愈快對(duì)技術(shù)測(cè)信息的儀器。由OTDR自帶的激光器發(fā)射光脈沖到光纖內(nèi)然指標(biāo)的要求也越來越高。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(cè)的現(xiàn)代化儀器。其主要用可以看到輸出的曲線圖1就是一條有代表性的測(cè)試曲線于測(cè)量光纖的長(zhǎng)度和損耗特性,工作原理相當(dāng)于光雷達(dá),從光纖的曲線的縱軸以分貝表示,是用光檢測(cè)器檢測(cè)出的反射功率非破壞性地迅速探測(cè)光纖的多種特性如光纖的長(zhǎng)度斷點(diǎn)位與光纖的損耗對(duì)應(yīng),表達(dá)式為置、接頭位置、衰減系數(shù)鏈路損耗及反射損耗等是光纖通信和光纖應(yīng)用中不可或缺的重要測(cè)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)如無輻射、抗干其中,P和P分別表示OTDR端口檢測(cè)到的輸出功率和擾化學(xué)穩(wěn)定性好等而且充分利用了光纖一維空間連續(xù)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(cè)量在時(shí)間和空間上的分布橫軸表示的是光脈沖傳輸?shù)臅r(shí)間,與光纖長(zhǎng)度相對(duì)應(yīng)。測(cè)出信息,在傳感領(lǐng)域也得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。從發(fā)射信號(hào)到返回信號(hào)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(jì)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(cè)光纖的折射率(由光固定接續(xù)損耗活接頭損耗纖生產(chǎn)商來標(biāo)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(zhuǎn)換為事件點(diǎn)距離OTDR當(dāng)光脈沖在光纖內(nèi)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(zhǎng)度(km)由OmTR的探測(cè)器來測(cè)量,它們就作為光纖內(nèi)不同位置上的時(shí)圖1OTDR測(cè)試曲線間或曲線片斷。通過觀測(cè)曲線就可以了解整個(gè)光纖線路上的狀態(tài)變化從而獲取光纖的長(zhǎng)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(cè)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(dāng)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(hù)晶甜纖的一種固有特性,是光波在中國(guó)煤菜化村率在微觀上隨機(jī)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(jié)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(yīng)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(yīng)使得散射光的頻率不同于D拉曼平移量人射光,當(dāng)某一頻率的散射光與入射光、壓力波滿足相位匹配條玻爾茲曼常數(shù)件即布拉格行射條件時(shí),此頻率的散射光強(qiáng)為極大值。拉曼散T——絕對(duì)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(cè)斯托克斯與反斯托克斯光強(qiáng)之比可計(jì)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(zhǎng)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(cè)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(zhǎng)相對(duì)于入射波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生偏移。斯托克斯光的光強(qiáng)之比,與其光強(qiáng)的絕對(duì)值無關(guān),因此,即使光光強(qiáng)I入射光波長(zhǎng)纖隨時(shí)間老化,光損耗增加,也仍可保證測(cè)溫精度。OTDR主要有以下5個(gè)方面的應(yīng)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(cè)量光纖長(zhǎng)度;③測(cè)量光纖總損耗、平均損耗;④測(cè)量連接器、連接點(diǎn)的損耗;⑤測(cè)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(dá)45dB,最短盲區(qū)斯托克斯可以小于1m,最高采樣分辨率達(dá)到5cm。各項(xiàng)性能指標(biāo)都能適應(yīng)工程的需要?；?BOTDR與 BOTDA的分布式光纖傳感器應(yīng)用領(lǐng)域相波長(zhǎng)A似,目前主要用于應(yīng)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(yīng)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(cè)技術(shù)結(jié)合在一起可以用來實(shí)現(xiàn)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(bǔ)償應(yīng)變片的方法即在測(cè)試應(yīng)變的光纖附近再放置一根沒有應(yīng)變的光纖,對(duì)時(shí),OTDR的探測(cè)器接收的是布里淵后向散射光,它相對(duì)于入射測(cè)試光纖進(jìn)行溫度補(bǔ)償,這樣在所測(cè)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(nèi)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(yīng)力的變化。由于它們對(duì)于應(yīng)力應(yīng)變更為敏感,因此,在應(yīng)變傳感上的應(yīng)用更為廣v=(vdc )nv(3)泛。例如可以用于橋梁形變檢測(cè)河道應(yīng)變檢測(cè)船體應(yīng)變檢測(cè)當(dāng)光纖的溫度和應(yīng)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(yīng)的變化,從而導(dǎo)致布里淵頻移的改變。通過檢測(cè)隧道應(yīng)變檢測(cè)、建筑物健康監(jiān)測(cè)、通信類光纖光纜的質(zhì)量監(jiān)測(cè)和維護(hù)等。日本的Ando公司開發(fā)出的基于布里淵散射的光纖應(yīng)變布里淵頻移的變化量就可獲知溫度和應(yīng)變的變化量。同時(shí)通過測(cè)量?jī)x應(yīng)變測(cè)量精度達(dá)到±001%距離分辨率達(dá)到1m測(cè)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(yīng)用于溫度的監(jiān)測(cè),目前,基于布里淵散射的溫度和應(yīng)變傳感技術(shù)的時(shí)域反射研究在電力系統(tǒng)中主要應(yīng)用于:①電力電纜的表面溫度監(jiān)測(cè)監(jiān)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(bào)警;②各種大中型發(fā)電機(jī)、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(duì)壓器、電動(dòng)機(jī)的溫度分布測(cè)量熱保護(hù)以及故障診斷;③火力發(fā)空間的定位都是基于OTDR,通過反射信號(hào)和入射信號(hào)之間的時(shí)間電站的加熱系統(tǒng)、蒸汽管路、輸油管道的溫度監(jiān)視和故障點(diǎn)檢差來確定空間位置。 BOTDR的自發(fā)布里淵散射信號(hào)相當(dāng)微弱(比瑞利散射約小兩個(gè)數(shù)量級(jí))檢測(cè)比較困難因此基于 BOTDR的分布測(cè)④地下變電站和戶內(nèi)封閉式變電站的設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)。在化工系統(tǒng)中主要應(yīng)用于:①易燃材料倉(cāng)庫(kù)油庫(kù)、油管的溫度監(jiān)測(cè)及式光纖傳感技術(shù)的研究主要集中在布里淵信號(hào)的檢測(cè)上。故障點(diǎn)檢測(cè);②各種化工原料、自動(dòng)加熱流水作業(yè)、生產(chǎn)線的溫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(jiān)測(cè)及故障檢測(cè);③各種加熱系統(tǒng)恒溫設(shè)備的溫度監(jiān)測(cè)及故式光纖傳感器中得到很好的應(yīng)用。由于拉曼散射光中斯托克斯障點(diǎn)檢測(cè)。除此之外在海洋開發(fā)建筑系統(tǒng)等也有很廣泛的應(yīng)光的光強(qiáng)與溫度無關(guān),而反斯托克斯光的光強(qiáng)會(huì)隨溫度變化,因此,反斯托克斯光光強(qiáng)l與斯托克斯光光強(qiáng)l之比和溫度T之用。有人使用長(zhǎng)波段的LD作光源用該系統(tǒng)對(duì)2km的光纖進(jìn)行測(cè)試,實(shí)際測(cè)溫精度達(dá)到±1K,空間分辨率達(dá)到1m間的關(guān)系可用公式(4)表示:(4)中國(guó)煤化工器,已被廣泛地應(yīng)用于光纖通式中:a與溫度相關(guān)的系數(shù);CNMH分布式光纖傳感器也越h——普朗克常數(shù);來越多地被關(guān)注。現(xiàn)在ODR和 ROTDR的研究已經(jīng)日趨完善,c——真空中的光速;(下轉(zhuǎn)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(nèi)部完成彩”分背景、網(wǎng)絡(luò)圖形和監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行個(gè)性化設(shè)置。當(dāng)鼠標(biāo)移動(dòng)到INI數(shù)據(jù)查詢模塊為各子模塊內(nèi)部以及子模塊間獲得控制信某一監(jiān)測(cè)點(diǎn),狀態(tài)欄將動(dòng)態(tài)顯示該點(diǎn)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)名稱、所屬變電所息以及其余非電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的公共通道。其余子模塊通過向名最小短路容量等信息?！癒線圖”窗口以類似股票市場(chǎng)K線圖該模塊提交檢索信息,返冋值供子模塊內(nèi)部數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷的方式描述電能質(zhì)量參數(shù)(最大值、95%概率統(tǒng)計(jì)值、平均值)在或是子模塊間進(jìn)行通信的需要。通過檢索,可以獲得監(jiān)測(cè)點(diǎn)在電定時(shí)間內(nèi)的變化趨勢(shì),使枯燥的數(shù)據(jù)更加生動(dòng)網(wǎng)圖中所處坐標(biāo)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)名稱、所屬變電所名、最小短路容量、測(cè)33常規(guī)分析模塊量點(diǎn)電壓等級(jí)、主變型號(hào)、主變最小短路容量、監(jiān)測(cè)點(diǎn)電話號(hào)碼實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)隨機(jī)諧波潮流計(jì)箅(諧波電壓電流分布計(jì)算用戶協(xié)議容量、用戶設(shè)備容量以及所在線路是否為諧波專用線電容器投入的諧波放大等不同運(yùn)行方式下隨機(jī)諧波發(fā)射水平的估路、數(shù)據(jù)文檔路徑等電網(wǎng)信息供相關(guān)子模塊調(diào)用。IN文件是計(jì)。采用基于電流注入法的Mnte-Caro隨機(jī)分布模擬?？紤]兩Windows操作系統(tǒng)中一種專門用來保存應(yīng)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(diào)諧波參數(shù)為均值與運(yùn)行環(huán)境信息的文本文件。該文件的文本數(shù)據(jù)具有一定查詢功能方差。使用 Monte- Carlo模擬的最大優(yōu)點(diǎn)是它能給出隨機(jī)變化諧的段( SECTION)的結(jié)構(gòu)每個(gè)段結(jié)構(gòu)為若干的關(guān)鍵字( KEY WORD)波多重迭加后的綜合水平。及相應(yīng)的值( VALUE)列表組成,利用 Windows操作系統(tǒng)提供的參考文AP函數(shù)可對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速的格式化讀寫。同時(shí),其文本文件[1]吳竟昌供電系統(tǒng)諧波[M]第1版北京:中國(guó)電力出版社的屬性也使得所建立的查訊信息結(jié)構(gòu)可以通過多種文本編輯器1998進(jìn)行編輯、查看,面向用戶更加開放。監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息的查詢生[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對(duì)IN文件的讀寫實(shí)現(xiàn)的。清華大學(xué)出版社,2001.聯(lián)網(wǎng)分析顯示模塊維護(hù)主界面、“K線圖”窗口以及詳細(xì)統(tǒng)計(jì)[3]張昆生,曉黃AP! Ifor Windows詳解[M].北京:清華大學(xué)數(shù)據(jù)的圖形化顯示。監(jiān)測(cè)網(wǎng)的色彩顯示可以通過選擇“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(cè)試原理及注意事項(xiàng)[門].中國(guó)有線電視品,其測(cè)量精度髙、穩(wěn)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)迫切需要解決的問題。隨著基于各種[3]余麗蘋,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(yīng)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(xiàn)器原理及其應(yīng)用[J]光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù),2006(1):[1]周廣麗,鄂書林,鄧文淵.光纖溫度傳感器的研究和應(yīng)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(guó)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