【光电通信】分析OFDR曲线能否进行应变温度测量？

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概述

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OFDR分布式光纤传感技术具有高分辨、高精度、分布式的传感特性，已经应用到各个行业领域中。在实际测量中，光纤链路可能会出现高反射、损耗等干扰，导致OFDR测试结果不准确甚至不能测试。这种情况下，如何分析OFDR曲线并改善是成功测试的重中之重，本文汇总了一些常见异常情况并给出处理建议。

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理想OFDR曲线

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OFDR传感可以测量光纤应变和温度变化量，需要在加载测量前保存一组基准（取参考）。以OSI设备为例，软件上取参考界面如图1所示。在此界面可以获得一组OFDR曲线，即距离（横坐标）-散射强度（纵坐标）曲线。OFDR曲线横坐标可以反映待测光纤链路的有效长度以及设备可支持的最大传感长度（例如图1，光纤链路的长度约6m,设备最大传感长度约110m）。OFDR曲线纵坐标可以反映整根光纤链路中各位置对应的反射强度及损耗。

图1OSI-S的取参考界面

理想的OFDR曲线是这样的：在光纤链路长度范围内，曲线为一条平整干净、无台阶（无损耗）的直线，在法兰连接或熔接位置会有反射峰，光纤尾端因光路截止出现下降的台阶，光纤尾端有反射峰且峰值与前面基线差值小于40dB，如图2所示。

图2理想OFDR曲线

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异常OFDR曲线

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OFDR曲线出现异常，会导致应变温度传感测量效果不好甚至测试失败。总结OFDR曲线异常情况，可分为两类：1）、光纤链路中存在损耗；2）、光纤链路中存在高反射。

3.1 光纤链路中存在损耗

光纤链路中产生损耗主要原因为：连接头损耗、熔接点质量不高、光纤断裂、光纤弯曲半径小、粘贴光纤胶水固化收缩等。异常OFDR曲线如下图所示。

图3 光纤断裂

图4 光纤弯曲或连接较差

光纤链路中存在损耗时能否继续测量，需根据实际情况来评估，大致有以下三种情况。1）光纤链路信号到达设备底噪，不能进行传感测量。此时通常为光纤断裂或有大损耗，测量段光纤信号进入底噪，探测不到有效信号，不能进行传感测试。

2）光纤链路有少量损耗，光纤传感段散射信号高于设备底噪8dB以上，即信噪比大于8dB，应变测量不受影响，而且应变范围也不会有损失，可以在此条件下继续测试。

3）光纤链路有较大损耗，信噪比低于8dB，测试可以继续，但是随着光纤链路的损耗增大，系统可准确测量的应变范围会降低。以光纤拉伸梁测试应变为例，对比不同信噪比条件下仪器能准确测量应变的最大范围，得出如图5所示的信噪比-应变范围曲线。

图5 信噪比-应变范围曲线

图6 OFDR曲线信噪比

对于不同待测结构和测试方案，由光纤链路损耗而导致的应变范围损失，情况有所不同。因此，我们建议当链路有损耗且信噪比低于8dB时，先查找原因、排除损耗后再进行测试。

备注：OSI系统可调节信号增益，如下图所示0.8m处光纤弯曲产生损耗，设置增益倍数，从6dB切换至16dB，增益后光纤链路各位置的信号增强。

图7 OSI增益调节

图8 OSI增益调节后的OFDR曲线

注意：若光纤尾端反射太高，加大增益，可能出现OFDR曲线畸形。

3.2光纤链路中存在高反射

光纤链路中高反射主要来源于连接头端面反射和光纤尾端反射。通常PC/UPC端面研磨方式的光纤接头反射比较大，建议光纤链路中选择APC端面研磨接头。

图9 OFDR曲线存在高反射

若是光纤尾端高反射，建议在每次测试前都对分布式光纤传感器的尾端进行处理，以消除高反射。如何消除光纤尾端高反射，有以下几种方法可供参考。

1）在光纤传感器尾端熔接或连接一根ERE尾端反射消除器；

2）在靠近光纤尾端处打结或绕圈，使信号衰减降低反射；

3）在光纤尾端端面处涂匹配膏消除高反射。

以上方法中，熔接ERE效果最佳，也适合各类光纤传感器。涂匹配膏的方法具有不稳定性，适合短时加载的实验。尾端打结的方法适合不耐弯曲光纤，不适合耐弯曲光纤。

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总结

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本文分享了OFDR使用的测试经验，关于如何分析OFDR曲线，以获得最佳的传感测量效果。文章罗列了OFDR曲线正常和异常的情况，并给出处理建议。总结来看，有以下两方面。

1）光纤链路中存在损耗。若链路有少量损耗且信噪比大于8dB，OSI传感测量不受影响；若信噪比低于8dB，此时系统可测的应变范围有所下降，建议查找原因、排除损耗后再进行测试。用户也可以加大OSI系统上的增益倍数，提高信号强度。

2）光纤链路中存在高反射，尤其是光纤尾端。建议在每次测试前对光纤尾端进行处理，熔接ERE效果最佳。

来源：大话光纤传感

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