OTDR原理及其应用

山西科技 SHANXI SCIENCE AND TECHNOLOGY2010年第25卷第2期●信息技术OTDR原理及其应用李科,杨飞,陈峰华(太原科技大学应用科学学院,山西太原,030024)摘要:介绍了OmDR的测试原理和基于0TDR的分布式光纤传感器的传感原理,总结了它们在各个领域的应用情况,并指出了未来的发展趋势。关键词:光时域反射仪;分布式光纤传感器;瑞利散射;布里渊散射;拉曼散射中图分类号:TP212文献标识码:A文章编号:l0046429(2010)02-0046-03随着光纤通信技术的迅猛发展和不断完善,光纤的应用日益质的边界,如连接器、机械接续断裂或光纤终端时会发生菲涅广泛。从军用到民用,从信息传输载体到信号采集传感,从远程通耳反射散射和反射的部分光会沿着光纤返回。信干线到城域数字电视网络的构建,光纤正在社会的发展中发挥OTDR就是基于瑞利散射和菲涅耳反射的后向光来获取检着重大的作用。与此同时,光纤测试技术的发展愈来愈快对技术测信息的仪器。由OTDR自带的激光器发射光脉冲到光纤内然指标的要求也越来越高。OTDR( Optical Time Domain Reflect-后在OTDR端口接收返回的信息。在光时域反射仪的面板上就me,光时域反射仪)就是用于光纤检测的现代化仪器。其主要用可以看到输出的曲线图1就是一条有代表性的测试曲线于测量光纤的长度和损耗特性,工作原理相当于光雷达,从光纤的曲线的纵轴以分贝表示,是用光检测器检测出的反射功率非破坏性地迅速探测光纤的多种特性如光纤的长度断点位与光纤的损耗对应,表达式为置、接头位置、衰减系数链路损耗及反射损耗等是光纤通信和光纤应用中不可或缺的重要测试仪器。此外,基于OTDR原理的分布式光纤传感器不仅具有一般光纤传感器的优点如无辐射、抗干其中,P和P分别表示OTDR端口检测到的输出功率和扰化学稳定性好等而且充分利用了光纤一维空间连续分布的特反射功率点,可以在沿光纤路径上同时得到被测量在时间和空间上的分布横轴表示的是光脉冲传输的时间,与光纤长度相对应。测出信息,在传感领域也得到了迅速的发展和广泛的应用。从发射信号到返回信号所用的时间t,再确定光在光纤中的速度,利用公式(2)就可以计算出距离前端活接头损耗末端损耗其中,c是光在真空中的速度,n为被测光纤的折射率(由光固定接续损耗活接头损耗纤生产商来标明),chn就是光在光纤中的速度,2则是单程所用时间。这样就可以将光脉冲传输时间t转换为事件点距离OTDR当光脉冲在光纤内传输时,会由于光纤本身的性质、连接自身缺陷损耗器接合点弯曲或其他类似的事件而产生散射和反射,其中一部分的散射光和反射光就会返回到OTDR中。返同的有用信息长度(km)由OmTR的探测器来测量,它们就作为光纤内不同位置上的时图1OTDR测试曲线间或曲线片断。通过观测曲线就可以了解整个光纤线路上的状态变化从而获取光纤的长度损耗、断点等信息1原理光在光纤中传输时,由于光纤本身的缺陷和掺杂成分的非除用作光纤测试外,基于OTDR的其他时域反射仪还可用均匀性会使光发生瑞利散射。另外,当光遇到两种不同折射率介作传感器。光在光纤中传输时发生的散射包括瑞利散射布里渊散射和护晶甜纤的一种固有特性,是光波在中国煤菜化村率在微观上随机起伏收稿日期:2010-02-10而引起CNMHG光与声波或传播的压力作者简介:1)李科男,1980年出生,2003年毕业于太原理波相互作用的结果,这个传播的压力波等效于一个以一定速度工大学,讲师,030024,山西省太原市和一定频率移动的密度光栅,因此,布里渊散射可看作是入射光李科,等:OTDR原理及其应用2010年第25卷第2期在移动的光栅上的散射,多普勒效应使得散射光的频率不同于D拉曼平移量人射光,当某一频率的散射光与入射光、压力波满足相位匹配条玻尔兹曼常数件即布拉格行射条件时,此频率的散射光强为极大值。拉曼散T——绝对温度值。射是入射光波的一个光子被一个声子散射成为另一个低频光实测斯托克斯与反斯托克斯光强之比可计算出温度子,同时声子完成其两个振动态之间的跃迁,拉曼散射光含有斯托克斯光和反斯托克斯光。如图2所示,瑞利散射波长不发生变k[Ina-In( s-)]化,而布里渊散射和拉曼散射是光与物质发生非弹性散射时所由于 ROTDR直接测量的是拉曼反射光中斯托克斯光与反携带出的信息,散射波长相对于入射波长会发生偏移。斯托克斯光的光强之比,与其光强的绝对值无关,因此,即使光光强I入射光波长纤随时间老化,光损耗增加,也仍可保证测温精度。OTDR主要有以下5个方面的应用:①光纤断点、光纤接头瑞利散射甲渊散射松动等故障的查找;②测量光纤长度;③测量光纤总损耗、平均损耗;④测量连接器、连接点的损耗;⑤测量连接器的回波损耗OTDR产品发展非常迅速,技术不断成熟,成本和价格也降低了反斯托克斯很多。目前商用的OTDR的最大动态范围可达45dB,最短盲区斯托克斯可以小于1m,最高采样分辨率达到5cm。各项性能指标都能适应工程的需要。基于 BOTDR与 BOTDA的分布式光纤传感器应用领域相波长A似,目前主要用于应变和温度传感。在这两种传感器中,温度和图2后向散射光分析BOTDR是基于布里渊散射的光时域反射仪,它将布里渊应力的变化都能产生布里渊频移,在温度变化不大的情况下,常时和oTDR探测技术结合在一起可以用来实现分布式传感。这常忽略温度的作用。温度变化较大时可以采用“补偿应变片的方法即在测试应变的光纤附近再放置一根没有应变的光纤,对时,OTDR的探测器接收的是布里渊后向散射光,它相对于入射测试光纤进行温度补偿,这样在所测得的布里渊频移中扣除温光脉冲会发生频移。布里渊频移v主要由入射光频率n、纤芯折射率n、光纤内声速V等决定度变化所引起的布里渊频移就可最终确定应力的变化。由于它们对于应力应变更为敏感,因此,在应变传感上的应用更为广v=(vdc )nv(3)泛。例如可以用于桥梁形变检测河道应变检测船体应变检测当光纤的温度和应变发生变化时,光纤纤芯的折射率n和声速V会发生相应的变化,从而导致布里渊频移的改变。通过检测隧道应变检测、建筑物健康监测、通信类光纤光缆的质量监测和维护等。日本的Ando公司开发出的基于布里渊散射的光纤应变布里渊频移的变化量就可获知温度和应变的变化量。同时通过测量仪应变测量精度达到±001%距离分辨率达到1m测定该散射光的回波时间就可确定散射点的位置于 ROTDR的分布式光纤传感器主要应用于温度的监测,目前,基于布里渊散射的温度和应变传感技术的时域反射研究在电力系统中主要应用于:①电力电缆的表面温度监测监控,主要有两种,一是基于 BOTDR的分布式光纤传感技术,二是基于布故障点定位以及电缆隧道的防火报警;②各种大中型发电机、变里渊光时域分析( BOTDA)的分布式光纤传感技术。两种传感技术对压器、电动机的温度分布测量热保护以及故障诊断;③火力发空间的定位都是基于OTDR,通过反射信号和入射信号之间的时间电站的加热系统、蒸汽管路、输油管道的温度监视和故障点检差来确定空间位置。 BOTDR的自发布里渊散射信号相当微弱(比瑞利散射约小两个数量级)检测比较困难因此基于 BOTDR的分布测④地下变电站和户内封闭式变电站的设备温度监测。在化工系统中主要应用于:①易燃材料仓库油库、油管的温度监测及式光纤传感技术的研究主要集中在布里渊信号的检测上。故障点检测;②各种化工原料、自动加热流水作业、生产线的温ROTDR是基于拉曼散射的光时域反射仪,它也可以在分布度监测及故障检测;③各种加热系统恒温设备的温度监测及故式光纤传感器中得到很好的应用。由于拉曼散射光中斯托克斯障点检测。除此之外在海洋开发建筑系统等也有很广泛的应光的光强与温度无关,而反斯托克斯光的光强会随温度变化,因此,反斯托克斯光光强l与斯托克斯光光强l之比和温度T之用。有人使用长波段的LD作光源用该系统对2km的光纤进行测试,实际测温精度达到±1K,空间分辨率达到1m间的关系可用公式(4)表示:(4)中国煤化工器,已被广泛地应用于光纤通式中:a与温度相关的系数;CNMH分布式光纤传感器也越h——普朗克常数;来越多地被关注。现在ODR和 ROTDR的研究已经日趋完善,c——真空中的光速;(下转第51页)安大伟,等:关于电能质量管理软件研发的探讨2010年第25卷第2期在该软件内部完成彩”分背景、网络图形和监测点进行个性化设置。当鼠标移动到INI数据查询模块为各子模块内部以及子模块间获得控制信某一监测点,状态栏将动态显示该点的监测点名称、所属变电所息以及其余非电能质量监测数据的公共通道。其余子模块通过向名最小短路容量等信息。“K线图”窗口以类似股票市场K线图该模块提交检索信息,返冋值供子模块内部数据处理、逻辑判断的方式描述电能质量参数(最大值、95%概率统计值、平均值)在或是子模块间进行通信的需要。通过检索,可以获得监测点在电定时间内的变化趋势,使枯燥的数据更加生动网图中所处坐标、监测点名称、所属变电所名、最小短路容量、测33常規分析模块量点电压等级、主变型号、主变最小短路容量、监测点电话号码实现供电系统随机谐波潮流计箅(谐波电压电流分布计算用户协议容量、用户设备容量以及所在线路是否为谐波专用线电容器投入的谐波放大等不同运行方式下随机谐波发射水平的估路、数据文档路径等电网信息供相关子模块调用。IN文件是计。采用基于电流注入法的Mnte-Caro随机分布模拟。考虑两Windows操作系统中一种专门用来保存应用程序初始化信息和种基本的分布方式:正态分布和均匀分布调谐波参数为均值与运行环境信息的文本文件。该文件的文本数据具有一定查询功能方差。使用 Monte- Carlo模拟的最大优点是它能给出随机变化谐的段( SECTION)的结构每个段结构为若干的关键字( KEY WORD)波多重迭加后的综合水平。及相应的值( VALUE)列表组成,利用 Windows操作系统提供的参考文AP函数可对此结构进行快速的格式化读写。同时,其文本文件[1]吴竟昌供电系统谐波[M]第1版北京:中国电力出版社的属性也使得所建立的查讯信息结构可以通过多种文本编辑器1998进行编辑、查看,面向用户更加开放。监测点数据信息的查询生[2]郑人杰,殷人昆,陶永雷实用软件工程[M]第2版,北京:成以及删除功能就是通过对IN文件的读写实现的。清华大学出版社,2001.联网分析显示模块维护主界面、“K线图”窗口以及详细统计[3]张昆生,晓黄AP! Ifor Windows详解[M].北京:清华大学数据的图形化显示。监测网的色彩显示可以通过选择“显示色出版社,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页BOTDR的研究正在不断深人,市场上也有了 BOTDR的商用产[2]郭建平OTDR的测试原理及注意事项[门].中国有线电视品,其测量精度髙、稳定性好,但是价格昂贵。因此,如何降低2004(15):61-63.BOTDR的成本将是一个迫切需要解决的问题。随着基于各种[3]余丽苹,刘永智代志勇.布里渊散射分布式光纤传感器[JOTDR的分布式光纤传感技术的不断发展,分布式光纤传感器将激光与光电子学进展,2006(4):24-28会有更为广阔的应用前景[4]倪玉婷,吕辰刚,葛春风,等基于OTDR的分布式光纤传感参考文献器原理及其应用[J]光纤与电缆及其应用技术,2006(1):[1]周广丽,鄂书林,邓文渊.光纤温度传感器的研究和应用[]光通信技术,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中国煤化工 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