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布里渊散射分布式光纤传感技术的研究进展
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3秒自动关闭窗口布里渊光时域分析仪在长距离海底电缆温度监控中的应用
刘航杰，涂勤昌，李浩泉
宁波诺驰光电科技发展有限公司
海岛供电是海岛基础设施建设的重要组成部分，是支撑海岛经济和社会发展的重要基础。中国有漫长的海岸线，岛屿众多，随着国家&振兴海洋，开发海洋&战略的实施，岛屿间的电能输送通道&&海底电缆建设不断增加。海缆线路施工与运维复杂，一旦发生故障容易造成重大损失。由于海域的复杂性及潮汐、洋流等外界因素的变化，海缆长期运行中会存在过热点，因此实时监测海缆温度分布对保障海缆运行安全具有重要意义。
近年来，光纤传感技术已开始应用于高压电缆的分布式在线测量、预警。例如，基于拉曼散射的分布式光纤测温系统DTS已在国内多个高压电缆工程获得成功应用，但由于DTS的最大测量距离小于10 km，难以满足长距离海缆监测要求。布里渊型分布式光纤传感器是一种新型光纤传感器，测量距离可达数十公里，国内已有文献报道，但多采用布里渊光时域反射技术（Brillouin Opitcal Time Domain Reflection，BOTDR）。虽然BOTDR为单端测量，但由于探测的是微弱的自发布里渊散射光，难以实现长距离、高精度测量。布里渊型光纤传感器的主流技术为布里渊光时域分析技术（Brillouin Optical Time Domain Analysis，BOTDA），它为环路测量结构，探测的是较强的受激布里渊散射光，因此BOTDA的测量距离与精度均远高于BOTDR。本文详细分析了BOTDA的工作原理，并将BOTDA技术应用于舟山嵊泗联网工程的海底电缆温度监测中，为长距离海缆温度在线监控提供应用经验。
2 BOTDA工作原理
BOTDA技术最初由Horiguchi等提出，该技术最初是为测量长距离光纤损耗而提出的，在观察到布里渊频移受温度和应变影响的现象后，BOTDA技术便发展成为一种新型测量技术。
布里渊散射是光波和声波在光纤中传播时相互作用而产生的光散射过程，布里渊频移nB与波长&、声速nA和折射率n的关系式如下：
当环境温度变化或光纤产生形变时，光纤中声速和光的折射率都会随之变化，从而使布里渊频移发生变化。根据文献，布里渊频移与环境温度、光纤应变成线性关系：
式中△vB为布里渊频移变化量；△&为光纤轴向应变；△TR为光纤温度。C&和CT分别为布里渊散射频移的应变和温度系数。对于普通的单模光纤，温度系数CT&&&约为1.1MHz/℃，应变系数C&约为0.0483MHz/&&。
BOTDA系统需要两个窄线宽的激光光源，分别为抽运光源（脉冲光信号）和探测光源（连续光信号），这两个光源发出的激光在光纤中反向传输，在光纤的脉冲光源端测量探测光信号，其结构如图1所示。抽运光和探测光分别从光纤的两端分别注入，当抽运光与探测光的频率差与光纤中某个区间的布里渊频移相等时，该区域就会发生受激布里渊放大效应，两束光之间发生能量转移。通过扫描探测光频率，可获得光纤任一点的布里渊频谱，从而得到分布式应变和温度测量。
3 BOTDA主要性能
布里渊型光纤传感器是光纤传感领域高端产品，目前只有加拿大、瑞士、日本、中国等可提供此类产品。宁波诺驰光电科技发展有限公司是国内唯一提供商业化BOTDA产品的公司，首款BOTDA产品型号为NTB-50，于2011年初成功研制，拥有完整自主知识产权，技术性能达到国际先进水平。NTB-50基于多项专利技术设计，集光电、硬件、计算机和信息处理等高新技术于一体，它直接采用常规通信单模光纤作为传感器，光纤既是传输介质，又是测温元件，可实现沿50km长度光纤分布的温度、应变实时测量（更大测量长度产品版本正在研发中）。图2（a）是测量主机的外形图，图2（b）是某用户软件的界面，表1是NTB-50技术条件。
4 BOTDA在嵊泗联网工程海底电缆监控中的应用
110kV嵊泗联网输电线路从衢山110kV变电站出线至嵊泗110kV变电站，全长46 km。主体部分为34.6 km的海底电缆线路，铜导体截面500mm2，始于衢山岛的小山咀，终于嵊泗泗礁岛的大黄岩。海缆中的光纤在分别在嵊泗、衢山登陆点的高压铁架下分离，海缆温度监控地点选在嵊泗瞭望塔内，将BOTDA设备放置于内，用引导光缆将高压铁架下海缆中分离出来的两芯光纤引入瞭望塔内，接入BOTDA主机中，在海缆的另一端衢山登陆点光缆交接箱内将海缆中对应的两芯光纤对接，构成测量回路。BOTDA完成34.6 km海底电缆全程温度测量的时间为20s，测温精度&1℃，对电缆过热点或快速温升异常现象及时预警。在海缆通电前后，BOTDA所测温度曲线如图3所示。
从图中看出，海缆的上岸段与海底段温度明显不同，这是因海水与空气存在温度差导致。从海缆通电前的温度分布看出，处于海底的海缆温度在16℃左右，岸上的海缆温度在22℃左右，温差为8℃，与海底环境、岸上环境温度相当。当海缆开始运行通电后，BOTDA所测海缆温度整体有所提升，从图中看出，处于海底段的海缆温度上升约1.6℃。据供电部门记录，海缆初始运行电流偏小，在100A左右，因此海缆温升也较小。
利用BOTDA技术可以在20s时间内实现海缆全程温度监控，监控距离长达34.6 km，温度精度&1℃，并可针对海缆上岸段等温度敏感区域进行重点监控。本项目的研究成果将为水下及长距离输电线路提供一种有效地监测方法，其长期运行温度数据可进一步用于海缆载流量分析，为海缆运行监控提供重要依据，有效提高输电线路的可靠性以及安全性。另外，BOTDA作为一款先进的长距离分布式温度、应变传感器，还可在架空输电线路、长输油气管道、桥梁、大坝、地质灾害监测等领域推广应用，为公共安全在线监测提供科技保障。
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光纤拉曼放大器中级联的前向受激布里渊散射‘
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布里渊散射分布式光纤传感器研究现状与展望
【摘要】：布里渊散射分布式光纤传感器在结构健康监测领域具有广阔的应用前景。阐述了布里渊散射分布式光纤传感器的原理,分析了基于布里渊光时域反射、布里渊光时域分析和布里渊光频域分析的分布式光纤传感技术的研究现状,提出了布里渊散射分布式光纤传感器的研究热点及存在的问题,并对其发展趋势进行了展望。
【作者单位】：
【关键词】：
【分类号】：TP212.14【正文快照】：
引言分布式光纤传感器是针对结构健康监测提出来的一种新型传感器。它不但把光纤本身作为敏感单元，而且可以实现待测物理量时间和空间分布信息的同时监测，能够完成特殊环境下其他类型传感器难以胜任的监测任务[lj。基于布里渊散射机理的分布式光纤传感器是上个世纪末提出的
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