系统科学方法在分布式光纤传感技术的应用

【摘要】光纤传感技术是一类将被测对象的状态转变为可测的光信号的传感技术。由于在长距离连续传感方面具有不可替代的优势，分布式光纤传感技术在周界安防、石油电力、大型结构等领域的安全监控方面具有非常广阔的应用前景。本文以分布式光纤传感技术在管道监测中的应用为例介绍了在研究光纤传感技术中的系统科学方法的运用，通过把握系统科学方法所具有的整体、动态、模型化的特点，重点介绍了应用此类方法对推动光纤传感领域发展的作用。

【关键词】分布式光纤传感技术;光纤传感系统;系统科学方法;信息方法

【作者简介】王春雨 山东滨州人，理学硕士，专业：山东建筑大学理学院凝聚态物理专业，研究方向：光纤传感。

中图分类号：TN92                 文献标识码：A               文章编号：1673-0348（2020）020-074-03

Application of System Science Method in Distributed Optical Fiber Sensing Technology

Wang Chunyu

（Shandong Jianzhu University  Shandong Jinan 250101）

Abstract：Optical fiber sensing technology is a type of sensing technology that transforms the state of the measured object into a measurable optical signal.Due to its irreplaceable advantages in long-distance continuous sensing， distributed optical fiber sensing technology has very broad application prospects in security monitoring in the fields of perimeter security， petroleum and electric power， and large structures.This paper takes the application of distributed optical fiber sensing technology in pipeline monitoring as an example to introduce the application of systematic scientific methods in the research of optical fiber sensing technology.By grasping the overall， dynamic， and modeling characteristics of systematic scientific methods， this paper focuses on the application of such methods to promote the development of optical fiber sensing.

Keywords： distributed optical fiber sensing technology; optical fiber sensing system; system science method; information method

20世纪40年代以后，一般系统论、信息论、控制论等系统理论相继诞生，随后，耗散结构理论、协同学、突变论、超循环理论等非平衡自组织理论又逐步产生和发展，这些理论为科学技术发展提供了新思想、新观点，产生了从整体上最优解决多因素、复杂系统的现代新工具论——系统科学方法论。分布式光纤传感技术是在20世纪70年代末提出的，它是随着在光纤工程中应用十分广泛的光时域反射（OTDR）技术的出现而发展起来的。分布式光纤传感技术是利用光纤的一维空间连续特性进行相关物理量测量的技术。光纤既作传感元件，又作传输元件，可以在整个光纤长度上对沿光纤分布的物理量参数进行连续测量，同时获得被测量的空间分布状态和随时间变化的信息。光纤传感器的不断发展，主要是因为它具有很多优势，使得它优于传统传感器，比如质量轻、体积小，还具有着灵敏度高，能够耐腐蚀，可以抗电磁干扰，并且传输频带宽，能够实现分布式或准分布式测量，在使用时维护成本低的优势。基于上述优点，美国、日本及欧洲等国从上世纪末便将光纤传感技术应用于军事领域，发展至今，民用领域开展了广泛的光纤传感器研发和应用研究，光纤光栅（FBG）传感器、光时域反射仪（OTDR）、布里渊光时域分析仪（BOTDA）等技术都在逐渐成熟，并在实际工程中得以应用。

分布式光纤传感技术是光纤传感领域的重要组成部分，我们以方法论为指导，不断思考、研究问题和梳理归纳物理规律，把各类传感技术进行科学方法论证分析，把光纤传感技术和其他技术对比学习，进行优势互补，更好的实现工程进步，不断学习科学研究方法才能更好地进行科研工作。在光纤传感技术的科研工作中，对整套传感系统的这一整体来说，正是系统方法的应用推进了技术的进步。

1. 分布式光纤传感技术及其中方法

近年来，分布式光纤传感技术成为了一种被用于检测结构应变和温度的新型传感技术。光纤传感器以光波为信号载体，光纤为传送媒介，能够长距离的探测到并传送信号。光时域反射（OTDR）技术已经问世近40年了。该技术主要是用于测试光纤链路的衰减，同时可以提供和长度有关的衰减细节，因此该技术可用于测量光纤路上任意位置事件，可用于定位和探测。OTDR测试的非破坏性，使之在生产生活的多方面都有应用。OTDR本身就有分布式的特點，但因其灵敏度较低而存在较大局限性。因此，人们在传统的OTDR的基础上发展出了基于光时域反射的分布式光纤传感技术。发展至今主要有：偏振光时域反射技术（POTDR），相位敏感光时域反射技术（φOTDR），布里渊光时域反射分析技术（BOTDR/BOTDA）和拉曼光时域反射技术（ROTDR）。

偏振光时域反射技术（POTDR）是1980年A.J.Rogers提出的，是最早被提出的一种光纤分布式传感技术，但由于偏振态对环境十分敏感，稳定性很差，POTDR的空间分辨率低，噪声影响较大，而本身从信号中分离出温度和应力的影响非常困难，故而到现在还没有成熟的产品问世。

相位敏感光时域反射技术（φOTDR）是1993年H.F.Taylor首先提出的，到2010年前后才被用于管道光缆等预警研究。2015年，太原理工大学的王宇等人将φOTDR技术用于燃气管道破坏预警研究，2016年天津大学等单位开展来了关于φOTDR 技术的城市地下供水管网主干线泄漏检测定位研究。国内将φOTDR技术应用于管道泄漏检测的時间较短，目前仍在对结构和技术的不断改进中，处于基础性理论和实验研究阶段。

布里渊光时域反射技术（BOTDR）是1986年Tkach等人提出，是一种基于OTDR技术的新型分布式光纤传感技术，布里渊散射的分布式光纤传感技术虽然起步较晚，但是，该技术在应变和温度的测量精度远高于其他技术，范围和空间分辨率。因此目前得到广泛的关注和应用。BOTDA一般采用双端输入。将泵浦光（脉冲光）和探测光（连续光）注入传感光纤两端，两种光发生能量转移，从而使得布里渊频率发生变化。即当光纤段发生应变和温度改变时，相应的就会出现布里渊频移，因此通过检测光纤任意区域的最大能量转移时的频率差即可得到想要的应变和温度信息。

拉曼光时域反射技术（ROTDR）是一种基于拉曼散射的分布式光纤传感技术。利用斯托克斯光和反斯托克斯光的强度比和温度的关系和光时域反射技术结合可以构成分布式温度传感器，斯托克斯光和反斯托克斯光的强度比可消除光纤的固有损耗和不均匀性带来的影响。目前基于拉曼散射的分布式温度传感技术是分布式传感技术中最成熟的一种，因此应用也较为广泛。

在各类传感系统中，光纤传感技术是将被测对象的状态转变为可测的光信号的传感技术，利用了信息方法来通过对信息的获取、传输、加工和处理这一过程的研究来揭示对象的性质和规律。所以，信息方法对应着分布式光纤传感技术中捕获信息获得光信号以及信号处理方面的内容，这种方法用信息概念作为分析研究和处理问题的基础，它完全撇开对象的具体运动形式和具体资料，也就是光纤中的光信号最初转化过程的技术实现上的设计思路，把系统的运动过程抽象为信息变换过程，并且直接从整体出发，最终，分布式光纤传感系统所调用的光信号也是系统模型里的一个或几个维度，以此来表示标准传感参数，用这一方法体现了用联系和转化的观点综合地研究系统的信息过程。信息方法特别适用于自动化或智能化应用研究、社会系统或管理系统的应用研究，例如一套分布式光纤传感系统正是有着这样的信息类型与处理需求。

2. 系统科学方法的研究

科研方法是科研工作中必须遵循的途径、必须采取的手段和步骤等，我们对科研方法进行研究，也正是能对自己所做方向的推动，也正是需要储备的最基础的方法论，把光纤传感技术能用更科学的方法，推动其出现更大的技术进步，具体来说，一是实践方式，二是思维方式。在科研工作中，选择利用光纤传感技术，如光纤布拉格光栅（FBG）、布里渊光时域分析（BOTDA）、拉曼光时域反射计（ROTDR）等直接实时监测管道应力、温度，利用泄漏会产生管道附近的应变、温度变化等原理达到监测管道泄漏的目的。系统科学方法是指用按照系统科学的理论和观点，把研究对象视为“系统”来解决认识和实践两方面过程中的各种问题的方法的总称，如同光纤传感这项技术中，关于整个研究对象的各个维度的信息，是可以转化成光纤传感器可以认识到的信息，这就是将这多个维度进行系统化处理。

系统科学方法是一个内涵极为丰富的方法群，分布式光纤传感技术是从被测对象的各种信息中处理成为搭载着信息内容的光信号，再用传感系统去分析处理光信号，来得到所需求维度下的信息。在分布式光纤传感系统中，对光纤中所搭载的信息内容的处理，对系统中出现问题的解决，对系统的不断优化，这体现着系统科学方法的运用，例如对光纤传感系统中在滤波和模式识别方面正是使用着系统方法里信息变换方法流程。

通过系统科学方法的运用及信息方法的处理，分布式光纤传感技术的科研过程有了方法论上的支持。将系统科学方法对技术分析，分布式光纤传感技术具有以下优势：无需在光纤上制作传感器，传感光纤集传感与传输于一体，可实现远距离、大范围的传感与组网;可连续感知光纤传输路径上每一点的温度、应变、振动等物理参量的空间分布和变化信息，单根光纤上能获得多达数万点的传感信息。总的来说，通过对技术领域本身优势的把握和科学方法的有效支持，将在长距离连续传感方面具有不可替代优势的分布式光纤传感技术，广泛应用到了周界安防、石油电力、大型结构等领域的安全监控方面，深刻体现了方法论的指导作用。

3. 结论

科研方法是科研工作中必须遵循的途径、必须采取的手段和步骤等，科研方法没有固定统一的有效模式，更不存在一套发现和发明的机械程序。本文以光时域反射的分布式光纤传感技术在管道监测中的应用为例介绍了在研究光纤传感技术中的系统科学方法的运用，把握系统科学方法所具有的整体、动态、模型化的特点，了解此类方法对推动光纤传感领域发展的作用。“工欲善其事，必先利其器”，科学方法在科学认识活动中具有重要的作用，关系到科研工作的成功与否、成果大小、进程快慢、效率高低等。具体的科研方法多种多样，在科研工作中，往往是相互结合、组合使用，要对各类方法有充足的认识和把握，也要注重协作与合作。

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