发表时间：2018-05-02T15:36:43.853Z 来源：《建筑学研究前沿》2017年第33期作者：赵小行
[导读] 提出了一种基于偏振光时域反射计分布式光纤传感技术的新型安防监测系统。 江苏东大金智信息系统有限公司江苏省南京市 210000
摘要：提出了一种基于偏振光时域反射计分布式光纤传感技术的新型安防监测系统.该系统使用偏振分束器获取到具有正交偏振态的两路偏振光时域反射计信号，对比验证以确认是否出现了造成偏振态变化的扰动，提高了系统对扰动远程定位检测的准确度，大幅度减小了误判率和漏报率.同时在偏振光时域反射计系统的扰动探测中创造性的采用差值法和相对坐标相结合的方法，首次可以明显并且直观地检测和定位偏振光时域反射计系统中的扰动.最后采用Visual C+ +开发了一套实时的数据采集与处理软件.实验结果表明该系统具有较高的灵敏度，并在2 km 和14 km处获取到具有较高信噪比的扰动信号。
关键词：分布式光纤传感；偏振光时域反射计；Visual C+ +；安防监测
自光纤传感器问世以来，由于其具有体积小、重量轻、不受电磁干扰、传输损耗低、可在易燃易爆等恶劣环境下工作等传统电传感器无法比拟的优点而备受关注[1-2]，成为近年来发展最快的光纤无源器件.而在众多的光纤传感器中，分布式光纤传感器[3-4]无疑占有非常重要的地位，是技术最成熟、应用最广泛
的一类，显示了良好的应用前景。分布式光纤传感中光纤既是传输介质，又是传感元件，它可以获得整个光纤长度上被测量参量的空间分布状态和随时间变化的信息，因此可以实现大范围监测.在各种分布式光纤传感技术中，偏振光时域反射计(Polarization Optical Time DomainReflectometer,POTDR)近年来在国内外引起了较大关注.该技术使用窄线宽激光器发射脉冲信号并注入待测光纤中，同时通过在发射端使用光探测器接收和检测瑞利散射光中的偏振态信息来实现分布式传感，具有单端非破坏性测试的优点.传输光脉冲的偏振态对光纤线路的状态很敏感，因此POTDR非常灵敏，可以检测出光纤线路是否受到微扰，有助于判断是否有人接近以便提前预警，同时传感光纤可埋藏于地下来增强系统的隐蔽性，所以POTDR非常适合建立用于监测和保护国境、军事基地、核设施、发电站等重要场所周界的安防监测系统，最低限度避免它们遭到破坏度避免它们遭到破坏。
1 POTDR分布式光纤传感的原理
铅封号POTDR是由Rogers提出的，如果光纤受到外界物理量的调制，那么传输光的偏振态就会随之发生变化，而瑞利散射光在散射点的偏振方向与入射光相同，所以在光纤的入射端对后向瑞利散射光的偏振态和光信号的延迟时间分别进行检测就可获得外界物理量的分布情况.由于压力、温度、磁场等都能对传输光的偏振态进行调制，因此该技术可测量多个物理量。
光纤中的偏振态变化与光纤中的双折射现象密切相关.在单模光纤中只传输最低阶模(HE11模)，对于理
想单模光纤来说，它实际上是由2个传播常量相同的正交偏振模(可用HEx11与HEy11来表示)兼并而成，任意输入光的偏振状态可以始终不变地传输下去.而实际上并不存在这样的理想光纤，光纤本身的不对称性与不均匀性、内部的应力和外界环境因素的变化都会造成光纤横截面折射率分布的非圆对称性、各向异性以及纵向的不均匀性，从而导致光纤产生双折射效应，使两个偏振模的传播常量出现差异，同时两种正交模式也会发生耦合，使光波的偏振态在传播过程中发生变化。
2 POTDR分布式光纤传感在安防监测中的应用
在本文设计的POTDR系统中，入侵者走近埋于重要场所周界的光纤时会对其造成扰动，使其产生明显的各向异性，导致非本征双折射的产生，使传输光的偏振态出现变化。光在光纤中传输会产生两种反射：在光纤纤芯纵向上局部折射率跃变产生的菲涅耳反射光和由于材料不均匀性产生的瑞利散射光，后者在整个空间中都有功率分布，称沿轴向向后的散射为背向散射，偏振态的演化信息就包含在返回来的背向瑞利散射光信号中。
实验系统如图1，设备和器件均放置在隔振光学实验平台上，光纤部分(长16 km的普通单模光纤)放置在塑料泡沫制成的厚度为20 cm的箱子里，这样能屏蔽外界干扰和模拟埋于地下的光纤所处的环境。
图2 自搭的同向泵浦方式EDFA 在反射点处散射光与前向传输光的偏振态完全相同，因此背向瑞利散射光就携带有散射点处前向传输光的偏振信息，返回入射端并经过PBS检偏后，两路正交的偏振光信号的功率大小均将受到偏振态的调制，变为有一定规律的波动，从而构成了一个分为两路的POTDR系统。 POTDR曲线是后向瑞利散射光功率与时间的函数.如图1，入侵者导致的传输光偏振态变化可以通过将POTDR不同时刻的背向瑞利散射曲线相减得到，相减的曲线上发生变化的位置同入侵者导致偏振态扰动的位置(相对注入光脉冲那一端的距离)相对应.具体来说，当光纤线路上没有扰动，并且不考虑其它环境因素，那么所有的POTDR曲线应相同，我们称之为正常图；然而当存在扰动时，该处的后向散射光功率将受到偏
视频聚合振态的调制而产生波动，此时散射图将会受到相应的影响，表现为曲线从某个位置开始波动，而波动的起始位置在时间轴上对应着传感光纤上扰动点的位置，称之为异常图.用异常图减去已存储的前一幅正常图，两幅图的区别就可以非常明显的观察到，称之为差值图，利用差值图可以很容易的检测和定位POTDR系统中的扰动.如图1，它远好于原来通过将信号曲线的部分细节进行放大来确认变化及其位置的方法，不仅直观，而且更为明显.
结束语
本文提出了一个基于POTDR技术的安防监测系统，实验显示该系统可以很好地响应光偏振态调制.采用适当的数据处理后，本文提出的系统表现出了良好的性能。参考文献HDPE多孔加筋缠绕波纹管
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于超颖[1]RAO Y J.In-fiber Bragg grating sensors[ J]. Meas Sci &Technol,1997
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