基于Φ—OTDR的分布式入侵检测系统的应用综述

李成++赵年顺++钱楷

【摘 要】Φ-OTDR分布式入侵检测系统能对沿光纤线路范围内的入侵目标进行远程、准确、实时的安全监控，本文分析了基于Φ-OTDR光纤传感系统的理论、优缺点以及国内外应用研究的方向，提出了在实际工程应用中对入侵检测系统各部件的具体改进措施。

【关键词】Φ-OTDR；分布式传感；入侵检测

Overview on Analysis and Application of the Distributed Intrusion System Detection Based on Φ-OTDR

LI Cheng1，2 ZHAO Nian-shun1 QIAN Kai2

（1.School of Information Engineering， Huangshan University， Huangshan Anhui 245000， China； 2.Key Laboratory of

Opto-electronic Information Acquisition and Manipulation of Ministry of Education， Anhui University， Hefei Anhui 230039， China）

【Abstract】Φ-OTDR（Phase-Sensitive Optical Time-domain Reflectometry）distributed optic-fiber sensing system is a kind of distributed sensing system using optic-fiber can carry on real-time remote security monitoring of the target within it. The principle， advantage and disadvantage and research direction of the fiber sensing system based onΦ-OTDR are introduced.The future of the optical fiber sensing technology is prospected. Finally， Some suggestions and reform measures to various parts of the systemin practical engineering are proposed.

【Key words】Φ-OTDR； Distributed sensing； Intrusion detection

0 引言

基于Φ-OTDR 技术的入侵检测系统是一种实用的安防系统，不仅具有灵敏度高、抗电磁干扰、抗腐蚀等特性，而且具有测量精确、隐蔽性好、数据处理相对简单，并且可以测出光纤沿线任一点上的应力、振动和温度等信息，无需构成回路等特点。分布式光纤传感技术能够发挥其光纤分布伸展优势的传感测量方法，它是基于光时域反射（OTDR）技术发展起来的一可靠的传感技术[1-2] 。

1 OTDR分类及基本原理

光在光纤中传输会发生散射，包括由光纤折射率变化引起的瑞利散射、光学声子引起的拉曼散射和声学声子引起的布里渊散射三种类型[3-6]。

光时域反射计OTDR是基于测量后向瑞利散射光信号的实用化测量仪器。利用OTDR 可以方便地从单端对光纤进行非破坏性的测量，它能连续显示整个光纤线路的损耗相对于距离的变化。OTDR测试是通过将光脉冲注入到光纤中，当光脉冲在光纤内传输时，会由于光纤本身的性质、连接器、接头、弯曲或其它类似的事件而产生散射、反射，其中一部分的散射光和反射光经过同样的路径延时返回到OTDR中。OTDR根据入射信号与其返回信号的时间差τ，利用下式就可计算出上述事件点与OTDR的距离：

d=cτ/（2n）

式中c 为光在真空中的速度，n 为光纤纤芯的有效折射率。

基于布里渊散射光时域反射仪（BOTDR）的分布式光纤传感器是布里渊散射和OTDR 探测技术相结合构成的分布式应变传感器，布里渊后向散射光相对于入射光脉冲会发生频移。布里渊频移vB 主要由入射光频率v0、纤芯折射率n、光纤内声速V等决定：

vB=（2v0/c）nV

当光纤的温度和应变发生变化时，光纤纤芯的折射率n和声速V 会发生相应的变化，从而导致布里渊频移的改变。通过检测布里渊频移的变化量就可获知温度和应变的变化量。同时，通过测定该散射光的回波时间就可确定散射点的位置。

2 分布式入侵检测系统的工作原理及工程实践

2.1 入侵检测系统的工作原理[4-5]

图1 干涉传感器原理图

许多研究关注在Φ-OTDR噪音环境下，施加在Φ-OTDR信号上的后向散射各个部分的影响。相位型光纤传感器关注在光纤中导致外部相位变化的形态和位置。

考虑一束相干光脉冲ε（t）注入一长为L的Φ-OTDR单模光纤。为简单起见，假设在光纤一点加一外部光源相位调制，在距离注入点Z0处产生光学相位变化Φ，在t时刻出射的后向散射光电场E（Φ）可以表示为光纤中部分散射光的叠加[5-6]。

在光纤中光速为v，光波传播常数为B，分别利用群速和相位延迟表示电场强度，公式如下：

其中Δz的是OTDR的系统的空间分辨率。因此，Φ-OTDR的可以与相干光源，作为一个分布式的传感器，空间分辨率相当于该Φ-OTDR的空间分辨率。显然，良好的能见度激光相干长度应大于Φ-OTDR空间分辨率的间隔。这不是工程中Φ-OTDR的系统案件，因为上述这些系统只有一个狭窄的光谱范围，和一个可以评估它们性能的平均超过源光谱的全谱宽的入侵干涉仪。这不可避免地导致降低模式的干扰的能见度。

与常规OTDR 一样，Φ-OTDR通过测量注入脉冲与接收到的信号之间的时间延迟得到扰动的位置。当光纤线路上由于入侵而发生扰动时，由于弹光效应，光纤相应位置的折射率将发生变化，这将导致该处光相位发生变化，又通过干涉作用，相位的变化将引起后向散射光光强发生变化。通过探测器探测后向瑞利散射光，并且将Φ-OTDR不同时刻的后向瑞

利散射曲线相减来检测这种效应，相减的曲线上光强发生变化的时间位置同入侵导致相位扰动的位置（相对注入脉冲那一端的距离）相对应。

2.2 国内外研究现状与趋势

目前在国外的实验研究中，已从单一检测布里渊散射的频移或强度，发展到散射频移和强度的同时检测，实现温度与应变的同时传感。

第一类使用脉冲激光器或连续光激光器作为光源的光时域反射计系统已被证明可以用来检测并定位拉伸或温度引起的相位扰动。使用半导体脉冲激光器作为光源的光时域反射计系统被用于检测由温度快速变化引起的光相位变化[6]实验的原理图如图2：

图2 Φ-OTDR 系统原理示意图

该检测系统的空间分辨率是0.7米，这也是Φ-OTDR系统的分辨率。测量的积分时间等于第一相位调制器的时间延迟。输出强度的明显变化类似于两束干涉仪。该实验被证明是从第一次的部分光纤中由于相额外随机波的叠加。他们显然不是因为散粒噪声或在分散的条件随机变化，因为他们在形式上保持稳定的几秒钟。这表明该相干长度是大到足以提供有形干扰为Φ-OTDR的空间分辨率[6-8]。实际上，该系统为法布里珀罗干涉仪系列。

另一类光纤分布式传感防入侵系统[7]是基于干涉仪原理的分布式传感系统。但是，干涉仪方法的定位精度会随着传感距离的增大而降低，数据处理工作也很复杂，且对参考光纤的屏蔽有很高的要求。

第三类是基于大功率超窄线宽单模光纤激光器的？准-OTDR分布式传感系统[8]，此项实验研究采用了单模光纤激光模块，实验系统结构框图如图3所示[8]。光纤激光器产生的光波经过电光调制器后产生光脉冲，光脉冲被EDFA放大，由带通滤波器滤除自发辐射光后通过一个3dB的耦合器进入系统光缆。用光电探测器探测后向瑞利散射光，该实验用采样率为50MS/s的数据采集卡采集数据。设备位于室内，12km直径为3mm的成缆标准单模光纤作为传感光纤，埋设于室外地下20cm，在2km处直线展开30m作为入侵点。

图3 Φ-OTDR实验系统结构框图

该研究提出了一个基于大功率超窄线宽激光器的？准-OTDR光纤分布式传感系统[8]，激光器的输出功率为50mW，线宽≦3kHz。使用一级放大降低自发辐射噪声，该系统的信噪比较高，有入侵时系统能较好的响应光相位调制。

3 结论

Φ-OTDR分布式光纤传感系统的优点[9-13]：（1）灵敏度度高，可以进行精确检测。（2）并且具备提取大范围测量场的分布信息的能力。（3）分布式光纤传感系统的传感器件具有抗电磁干扰、防水、耐高温、抗腐蚀等特点，在特殊环境下可以正常工作。缺点：（1）由于灵敏度高，误报率较高。（2）由于光源的功率受限，检测信号较弱。（3）与其它类型检测系统相比，空间分辨率较低。

改进方法：（1）对光缆进行封装保护，例如应用FRP 封装的复合材料光缆作为传感光缆[9]，还需对整个检测系统进行软硬件优化，对收集的数据进行信号处理，降低环境噪声对系统的影响。（2）增大光源功率，增大性噪比，改进整个系统的功能。目前Φ-OTDR 分布式光纤传感系统整体性能已经在国内外研究者的推动下取得了较为显著地优化，我们还需要针对以上方面做进一步改进，在测量精度，距离以及识别不同频率振动事件[2]方面进一步优化，才能更好的应用于实际的入侵检测中。

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[责任编辑：杨玉洁]