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)了它們在各個領(lǐng)域的應(yīng)用情況,并指出了未來的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞:光時域反射儀;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:TP212文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號: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)斷裂或光纖終端時會發(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(yuǎn)程通耳反射散射和反射的部分光會沿著光纖返回。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,光纖測試技術(shù)的發(fā)展愈來愈快對技術(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(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。在光時域反射儀的面板上就me,光時域反射儀)就是用于光纖檢測的現(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試曲線于測量光纖的長度和損耗特性,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度斷點(diǎn)位與光纖的損耗對應(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得到被測量在時間和空間上的分布橫軸表示的是光脈沖傳輸?shù)臅r間,與光纖長度相對應(yīng)。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(yīng)用。從發(fā)射信號到返回信號所用的時間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則是單程所用時間。這樣就可以將光脈沖傳輸時間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,會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返回到OTDR中。返同的有用信息長度(km)由OmTR的探測器來測量,它們就作為光纖內(nèi)不同位置上的時圖1OTDR測試曲線間或曲線片斷。通過觀測曲線就可以了解整個光纖線路上的狀態(tài)變化從而獲取光纖的長度損耗、斷點(diǎn)等信息1原理光在光纖中傳輸時,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的其他時域反射儀還可用均勻性會使光發(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,這個傳播的壓力波等效于一個以一定速度工大學(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,此頻率的散射光強(qiáng)為極大值。拉曼散T——絕對溫度值。射是入射光波的一個光子被一個聲子散射成為另一個低頻光實(shí)測斯托克斯與反斯托克斯光強(qiáng)之比可計(jì)算出溫度子,同時聲子完成其兩個振動態(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,散射波長相對于入射波長會發(fā)生偏移。斯托克斯光的光強(qiáng)之比,與其光強(qiáng)的絕對值無關(guān),因此,即使光光強(qiáng)I入射光波長纖隨時間老化,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等故障的查找;②測量光纖長度;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,常時和oTDR探測技術(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。溫度變化較大時可以采用“補(bǔ)償應(yīng)變片的方法即在測試應(yīng)變的光纖附近再放置一根沒有應(yīng)變的光纖,對時,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(bǔ)償,這樣在所測得的布里淵頻移中扣除溫光脈沖會發(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河道應(yīng)變檢測船體應(yīng)變檢測當(dāng)光纖的溫度和應(yīng)變發(fā)生變化時,光纖纖芯的折射率n和聲速V會發(fā)生相應(yīng)的變化,從而導(dǎo)致布里淵頻移的改變。通過檢測隧道應(yīng)變檢測、建筑物健康監(jiān)測、通信類光纖光纜的質(zhì)量監(jiān)測和維護(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。同時通過測量儀應(yīng)變測量精度達(dá)到±001%距離分辨率達(dá)到1m測定該散射光的回波時間就可確定散射點(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,目前,基于布里淵散射的溫度和應(yīng)變傳感技術(shù)的時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、電動機(jī)的溫度分布測量熱保護(hù)以及故障診斷;③火力發(fā)空間的定位都是基于OTDR,通過反射信號和入射信號之間的時間電站的加熱系統(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)布里淵散射信號相當(dāng)微弱(比瑞利散射約小兩個數(shù)量級)檢測比較困難因此基于 BOTDR的分布測④地下變電站和戶內(nèi)封閉式變電站的設(shè)備溫度監(jiān)測。在化工系統(tǒng)中主要應(yīng)用于:①易燃材料倉庫油庫、油管的溫度監(jiān)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、自動加熱流水作業(yè)、生產(chǎn)線的溫ROTDR是基于拉曼散射的光時域反射儀,它也可以在分布度監(jiān)測及故障檢測;③各種加熱系統(tǒng)恒溫設(shè)備的溫度監(jiān)測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。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。有人使用長波段的LD作光源用該系統(tǒng)對2km的光纖進(jìn)行測試,實(shí)際測溫精度達(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?，F(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)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)測點(diǎn)進(jìn)行個性化設(shè)置。當(dāng)鼠標(biāo)移動到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)測點(diǎn),狀態(tài)欄將動態(tài)顯示該點(diǎn)的監(jiān)測點(diǎn)名稱、所屬變電所息以及其余非電能質(zhì)量監(jiān)測數(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。“K線圖”窗口以類似股票市場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)測點(diǎn)在電定時間內(nèi)的變化趨勢,使枯燥的數(shù)據(jù)更加生動網(wǎng)圖中所處坐標(biāo)、監(jiān)測點(diǎn)名稱、所屬變電所名、最小短路容量、測33常規(guī)分析模塊量點(diǎn)電壓等級、主變型號、主變最小短路容量、監(jiān)測點(diǎn)電話號碼實(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。考慮兩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)可對此結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速的格式化讀寫。同時,其文本文件[1]吳竟昌供電系統(tǒng)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(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BOTDR的研究正在不斷深人,市場上也有了 BOTDR的商用產(chǎn)[2]郭建平OTDR的測試原理及注意事項(xiàng)[門].中國有線電視品,其測量精度髙、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