基于多模光纤的分布式应变传感系统光路接口设计

袁明　闫继送　江升

摘 要：在分布式光纤应变传感系统中，采用的单模传感光缆在实际施工时，由于铺设环境较为复杂，往往会出现巨大的传输损耗影响测试结果。针对现有的BOTDR产品只支持单模传感光缆的情况，提出了一种光路接口，它能使现有的BOTDR产品实现对多模光纤的测量。实验结果表明，该光路接口可以帮助BOTDR实现多模光纤应变测试，实验数据线性良好。该光路接口结构简单，操作方便，对扩大BOTDR的应用领域和提高对复杂铺设环境的适应能力有重大意义。

关键词：分布式光纤传感；多模BOTDR；光路接口；布里渊光时域反射计（BOTDR）

中图分类号：TP212.1+4 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.11.007

基于布里渊光时域反射计（BOTDR）的分布式光纤传感技术是一项新型传感技术，它与传统的传感器不同，具有分布式、单端测量、保密性好、检测距离长、抗电磁辐射、精度高和耐久性好等特点，可以全面、准确地监测山体滑坡、泥石流、桥梁、大坝、铁轨、隧道和矿井等大型土木工程，有效地改善传统点式传感技术和人工检查容易出现的漏测、误测问题，而且该技术可以广泛应用于对大型土木工程健康状态的监测和故障预警工作中。目前，投入市场的BOTDR产品都以单模光纤为传感介质，单模光纤测试距离长、传输损耗低。但是，在大型土木工领域的应用过程中，由于传感光缆经常要面临砂石、混凝土和岩石等复杂的铺设环境，铺设单模光纤传感光缆后，很容易出现大量的微弯损耗，进而大幅增加传感光缆的传输损耗，对测试效果有很大的影响。针对上述问题，提出了一种光路接口，它克服了现有BOTDR产品无法测试多模光纤的问题。实验结果表明，应用此光路接口后，现有的BOTDR产品也可以对多模光纤进行测试，并且保证了应变测试精度、空间分辨率等关键指标。该光路接口可以有效扩大BOTDR的应用领域和

提高BOTDR对复杂铺设环境的适应能力。

1 BOTDR基本原理

图1 基于BOTDR的光纤传感系统示意图

图1为分布式光纤传感系统示意图，探测光注入到光纤后，由于探测光与光纤中介质晶体结构之间的相互作用，在光纤中

产生了自发声波场，在其作用下，光纤产生后会向布里渊散射，并且该散射光的频率相对于入射光频率会发生一定的偏移，所以，将其称为布里渊频移。布里渊频移与光纤的温度和应变呈线性关系，用公式表示为：

. （1）

式（1）中：fB（ε，T）为温度T下在光纤距离Z处产生应变为ε时的布里渊频移；fB（0，T0）为温度T0下光纤在无应变时的初始布里渊频移；Cs为光纤的应变系数；CT为光纤的温度系数。

2 多模光纤BOTDR系统的光路接口原理

光在光纤中传输需要满足全反射条件，只有满足发散角小于arcsin（NA）的光线才能通过全反射传输，而发散角大于arcsin（NA）的光线则会被损耗和吸收。NA为光纤的数值孔径：

NA= （2）

式（2）中：Δ为相对折射率差。一般多模光纤NA多为0.3，纤芯半径一般为62.5 μm/50 μm，单模光纤NA单为0.1，纤芯半径一般为10 μm。由此可见，如果多模到单模光纤之间没有耦合器件，多模光纤出来的光只有极小的一部分才会耦合进入单模光纤，采用多模光纤到单模光纤直接对接，其耦合效率通过模拟仿真只有0.1%.

由图1可知，BOTDR系统与被测光纤在测试过程中，存在BOTDR系统→被测光纤和被测光纤→BOTDR系统的双向耦合。目前的BOTDR产品光路接口内都为单模接口，如果将被测光纤直接替换为多模光纤，那么，BOTDR系统与被测光纤的双向耦合系统将分别变为单模→多模直接耦合和多模→单模直接耦合。由于多模→单模的直接耦合系统耦合效率极低，将被测光纤直接替换为单模光纤，会导致BOTDR系统接收的后向布里渊散射光强度剧烈下降，进而导致无法测量。

本文设计的光路接口主要是由自聚焦透镜和非球面双凸透镜组成，其结构如图2所示。光从多模光纤中入射到自聚焦透镜中，由自聚焦透镜经双凸透镜入射到单模光纤中，通过ZEMAX模拟仿真可知，多模光纤到单模光纤的耦合效率能达到45.145%，耦合效率计算结果如图3所示。

图2 光路接口结构示意图

图3 光路接口耦合效率示意图

3 实验结果与分析

本文使用中国电子科技集团公司第四十一研究所研制的AV6419光纤应变分布测试仪进行实验。AV6419光纤应变分布测试仪的应变测试精度最高达10 με，空间分辨率为1 m，最大测试量程达80 km，是目前国际上最先进的BOTDR产品。

图4 多模光纤测试实验结果

图5 多模光纤应变与拉伸距离关系曲线

结合本文研制的光路接口后，AV6419光纤应变分布测试仪成功地完成了对多模光纤的应变测试。在此次实验中，利用光纤拉伸装置拉伸了1.203 km处的光纤，拉伸距离从4 000～6 000 μm，步进400 μm，实验结果如图4所示，应变与拉伸距离的线性关系曲线如图5所示，其线性度可达99.81%. 由此可见，使用本文提出的光路接口后，AV6419光纤应变分布测试仪测试可以准确地得到多模光纤的应变数据。

4 结论

本文提出了一种可以令目前BOTDR产品测试实现多模光纤的光路接口，并设计了光纤拉伸实验验证多模光纤应变测试的可行性。测试结果线性良好，线性度达到99.81%. 实验结果表明，本文设计的光路接口能够令现有的单模BOTDR实现多模光纤应变测试，对克服单模传感光缆缺陷，扩大BOTDR产品的应用领域，提升BOTDR对复杂铺设环境的适应能力有重要的意义。

参考文献

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[3]邱海涛，李川，刘建平.基于BOTDR的隧道应变监测与数值模拟[J].传感器与微系统，2012，30（12）：78-81.

〔编辑：白洁〕