巾帼力量 | 张旭苹教授:分布式光纤传感技术,让我们更好地感知世界


 

40周年约稿| 张旭苹;丁哲文;洪瑞;陈晓红;梁蕾;张驰;王峰;邹宁睦;张益昕; 相位敏感光时域反射分布式光纤传感技术[J].光学学报, 2021, 41(1):0106004.

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编者按

光纤传感技术随着光纤通信技术的发展而迅速发展起来,它已经成为衡量一个国家信息现代化程度的重要标志之一。2021年是《光学学报》创刊40周年,编辑部特邀南京大学张旭苹教授课题组撰写《相位敏感光时域反射分布式光纤传感技术》综述论文,文章介绍了相位敏感光时域反射技术系统的原理、结构、性能和应用情况,并对其发展趋势进行展望。

1、背景介绍

光纤传感技术始于20世纪70年代,伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来,它已经成为衡量一个国家信息现代化程度的重要标志之一。

光纤传感技术在航天航空、海洋边防、电力通信、油气管道、水利能源、建筑桥梁、轨道交通、隧道边坡等领域有着广泛的应用(如图1所示)。


图 1 光纤传感技术在航空航天、海洋边防,电力通信等领域中的应用(图片来源网络)

其中分布式光纤传感技术是一种以光纤同时作为传输媒介和敏感元件的连续分布式传感技术,可以实现长达上百公里高密度的温度、应变、声波等的连续分布式测量。

相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)除了具备分布式光纤传感技术的优点外,还兼具灵敏度高、响应速度快的特点。

因为其能够通过介质传播的振动信号实现对目标状态的感测,所以传感光缆无需与被监测对象紧密接触,从而大大降低了工程应用的难度。因此,其应用推广非常迅速。

2、Φ-OTDR的工程应用

目前Φ-OTDR已经在周界安防、大型设施结构健康监测、地质资源勘探等多个领域得到应用,并已经有了商用化产品。

2.1 周界安防

与现有的光电类周界安防系统相比,Φ-OTDR作为入侵探测器具有无可比拟的优势。常见的周界安防技术包括张力网、振动电缆、静电感应电缆、高压脉冲电网、红外、激光、微波、地埋泄漏电缆、液压埋地探测等大都无法对入侵事件进行精确定位,难以进行大范围布设,同时隐蔽性差,容易遭受破坏,且需要供电。而Φ-OTDR以布设路径上的光纤做为敏感元件(如图2所示),能够以低廉的单点监测成本进行大范围监测,同时具有单端、无源、隐蔽性强等优点。


图2 Φ-OTDR对各种振动信号的识别

作为一种灵敏度极高的传感系统,Φ-OTDR在周界安防上的应用近几年发展迅速,尤其是随着模式识别等人工智能算法的引入,系统在保持灵敏度不变的情况下,有效降低了误报率,极大地促进了本技术的工程应用推广。但是,由于Φ-OTDR对振动信号十分敏感,因此作为入侵探测器时,除了能够识别走路、攀爬、触摸、挖掘等人为行为,还需要对环境干扰如雷鸣、鞭炮、汽车鸣响、雨声等进行识别,这些需要大量的数据信息、合适的模式识别算法等。

2.2、输电线路监测

地震波探测作为研究地球内部结构最为有效的方法,被广泛运用于地震监测预警和地质资源勘探等领域。相比于传统地震检波器,Φ-OTDR数据采集成本低,布设简便,可连续获得长距离范围的地表应变,并且有着更高的空间分辨率(如图3、图4所示)。利用Φ-OTDR进行地震波探测是当前地震科学极具前景的研究方向,其高密度低成本的优势可大幅改善地下结构尤其是复杂结构的成像分辨率。


图 3 地震走时分析


图 4 DAS与地震检波器捕获的主动源信号在时域和频域上的对比

由于专门铺设传感光缆涉及地层的开挖与回填,工程大、成本高、周期长,因此近年来基于Φ-OTDR的地震探测应用开始尝试利用已有的通信光缆,以解决目前地震探测中数据采集成本高、覆盖范围有限、不宜在城市开展实施等问题。

对采用既有通信光缆网络进行地震波监测的高性能Φ-OTDR系统的工作机理、系统架构等进行深入研究,在不依赖进口极端性能器件的前提下,获得突破现有Φ-OTDR地震感测系统性能极限的技术途径,仍将是本领域研究人员在未来一段时间内需要面对和解决的问题。

2.3 输电线路监测

目前,我国电网规模和输送容量已跃居世界首位。2020年,输电线路总里程将超过160万 km。输电线路覆盖面积广、支撑杆塔多、传输距离长,所经路径的地理、地貌、周围环境及气象等状况复杂,例如城区的地埋线路常常受到线路改造、市政施工的破坏,野外的架空输电线路容易遭受大雨、雷电、暴风雪、覆冰、舞动等自然灾害和盗窃等人为破坏。一旦输电线路发生故障,将会造成巨大的经济损失。因此,建立全天候实时在线全覆盖输电线路智能健康监测和故障诊断系统对电网的安全运行具有十分重要的意义。


图 5 Φ-OTDR输电线路监测系统

随着光纤复合架空地线(OPGW)、光纤复合相线(OPPC)和地埋光电复合缆在输电线路中的广泛应用,使得分布式光纤传感技术的应用不需要铺设专用传感光纤,极大地降低了施工成本。光纤传感解调仪安装在变电站通信机房的机柜内,只需将一根光纤的单端接入,就可以实现对输电线沿线安全隐患的实时监测(如图5所示)。通过多路复用模块,还可以实现单台设备对多条线路的轮询监测。通过综合分析平台,进一步判定扰动发生的位置、类型、强度,为值班人员提供告警、智能分析和辅助决策支持。以帮助线路维护人员及时发现电缆的窃取、入侵和破坏行为。

2.4 水下线缆监测

水下线缆包括水下电力电缆、水下通信光缆和光电复合海底电缆。作为全球能源互联网实现跨海互联的重要通道,水下线缆在国家间和区域间互联互通、岛屿供电及通信传输、海上风力发电等领域发挥着巨大的作用。然而,水下线缆所处环境恶劣,受到海水长期侵蚀、冲刷、微生物腐蚀等因素影响,容易造成线缆故障。此外,随着我国海洋开发活动的不断增加,水下线缆的运行受捕捞作业、货船抛锚等破坏的情况也经常发生。近年来,国内外水下线缆事故时有发生,严重影响了跨海互联智能电网和信息通信网络的安全稳定运行。如福建平潭海底电缆锚害导致的全岛停电,舟山浯屿-岛海底电缆磨损导致的缆体损坏,台湾海域发生地震造成的缆体断裂等。


图 6 基于Φ-OTDR的水下缆线状态在线监测与预警

Φ-OTDR具有亚毫秒量级的响应速度和纳应变量级的高探测灵敏度,非常适用于监测水下线缆动态扰动事件和健康状态(如图6所示)。在缆线安装施工阶段,可以预警电缆过度弯曲和过度张力,在服役过程中,可以对船只落锚、挂缆拖曳、蛙人、潜艇等进行预警和定位,使海缆免遭破坏,对维护和保障水下线缆传输和通信系统的安全有着极其重要的战略意义,未来有望逐渐成为海洋监测应用的标配。其中,单跨长距离覆盖范围、级联中继超长距离覆盖范围将成为必须解决的技术难点。

3、总结与展望

目前,Φ-OTDR技术在传感原理、系统性能及工程应用等方面均取得了巨大的突破。国外厂商出于技术保密和独占的考虑,长期以来均不向我国销售Φ-OTDR仪器,仅提供测试服务,这使得核心设备长期受制于人,且监测数据存在外泄风险。但这也促进了国产设备的研发,近年不断有国产Φ-OTDR设备问世,这些设备在传感距离、空间分辨率、测频范围、灵敏度等核心指标上与国外已无明显差距,说明国内在Φ-OTDR技术的研究上与国外先进水平已经没有代差。

但是在产业应用上,要真正解决用户的痛点和难点,还缺乏工程经验、特征数据积累和信号处理能力。随着逆全球化趋势愈演愈烈,国内Φ-OTDR厂商将更难获得顶级性能的核心光电器件,一方面这将使得国产Φ-OTDR设备面临技术封锁和价格垄断风险;另一方面也将促使国产器件厂商加速技术升级改进,设备厂商则可通过系统工程降低对单个器件性能参数的需求。随着新基建的推进,Φ-OTDR技术在中国得到推广应用的前景非常好。因此在未来的产业化进程中,国内Φ-OTDR技术的科研、生产与应用单位将面临一个机遇与挑战并存的局面。

 

团队简介:

张旭苹教授领衔的南京大学光通信工程研究中心团队,隶属于“南京大学微结构国家重点实验室”,是“智能光传感与调控技术”教育部重点实验室核心团队和“江苏省光通信系统与网络工程研究中心”的依托单位。自2002年以来一直致力于分布式光纤传感技术及其在工程中的应用研究。承担了科技部重大专项、863、973、国家重大仪器专项、国防重大专项/预研基金、自然基金重大/重点基金/面上项目、省科技攻关/重点研发项目百余项项,科研经费总额近2亿元。在国内外知名一流学术刊物发表论文300余篇。主编出版了国内第一部介绍连续分布式光纤传感技术的专著“全分布式光纤传感技术”。授权和申请发明专利280余项、获省部和国防科技一等奖7项,其他省部级以上科技奖项十多项。