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2011/07/25
作者：黄俊华，季忠，徐军
一、前言
近年来，随着“数字地球”和“物联网”的提出和建设，光纤传感技术迅速发展，正逐步成为继光纤通信产业发展之后又一大光纤应用技术产业。
利用光纤的各种特性，光纤可以做成各类传感器，但它在空间是点状分布，除了测量点不连续外，还额外需要传输线（光缆或电缆）。分布式光纤传感技术是光纤传感技术中的一个重要分支，也是光纤传感领域的研究热点。
分布式光纤传感技术早在70年代末就被提出，在至今的几十年中，产生了一系列分布式光纤传感的机理和测量系统并趋于成熟，在多个领域得以应用，已成为光纤传感器技术中最具前途的技术之一。
分布式光纤测量系统的最大优势是：它能在整条光纤的连续长度上，以距离的连续函数形式给出被测信息随光纤长度方向的变化，所用的光缆中光纤除了直接成为分布式传感元件还同时用于信息传输，因此，该技术在军用和民用的结构工程、航天、海洋、电力、石油化工及医疗等各个领域得到了广泛应用。
分布式光纤传感技术主要有基于光纤拉曼散射或布里渊散射的光时域反射及频域反射技术、基于光纤瑞利散射的偏振光时域反射技术、长距离光干涉技术以及准分布式光纤布拉格光栅复用技术等。在大部分的传感系统中，主要采用的是常规结构的通信光缆，包括某些被称为的传感光缆，其实还就是常规光缆。
然而，所有常规的通信光缆在设计时的基本原则都是使光纤同外部影响（温度、外力、振动、湿潮环境等）特别是应力隔离或尽量隔离。对常规通信光缆来说，必定要有一个“应力应变窗口”，即光缆在一定的应变范围内其中的光纤不受到应力从而不发生应变。而传感光缆则要求让外部的某一个或某几个被传感信息灵敏和实时地传递给缆内的光纤。
显然，把常规通信光缆作为分布式传感用并不是最理想的。以至于美国密素里罗拉大学（University of Missouri-Rolla）的Filippo Bastianini等人在有关论文中指出：“市场上缺少可用的应变传感光纤产品限制了该技术的发展（见：Proc. SPIE, Vol. 5765, pp. 600-611，2005）。
2006年，通光集团的陈锡浩等人首次提出了应变测量光缆的应变传递能力的概念，提出和设计了应变测量光缆应变传递能力的测试方法，使得光缆的应变测量能力有了定量的测试比较方法，获得了国家专利（200720130071.9），并于2008年在美国召开的国际电线电缆研讨会（57th IWCS）发表， 为分布式应变测量传感光缆的研发提出了关键性能指标和测试方法。
结合应变传感原理和通信要求，通光进一步开发了具有高灵敏传感性能和通信性能为一体的多功能光缆，该技术己申请国家专利（受理号：201120016241.7）。
二、多功能光缆的基本结构
该专利技术的主要特征之一是缆芯内同时含有一个或多个松套光纤通信单元和一个或多个紧包光纤传感单元。
图1至图5给出几个基本结构示意图，在实际应用时并不限于这几个结构。缆芯内的多个松套光纤通信单元（T）和多个紧包光纤传感单元（S）可以按需要任意排列；除了缆芯外，外护套可根据不同安装应用环境选择；缆结构和外形可以是圆形或其他任意形状。
2、传感性能对比
目前，光纤分布式传感系统和传感光缆均还没有相应的标准/规范。为了比对光缆的传感性能，设计并采用了采用一些基本的模拟试验方法，用同一套传感系统设备和相同的光纤接线方式，在同一地点、同一条件下连接上述两根光缆进行了一些对比试验。
（1）围栏摆击试验
将两条光缆水平直线安装在同一面标准围栏上，用橡胶锤模拟入侵信号摆击围栏，摆击位置和幅度相同，图7是试验原理示意图，图8是环境背景波形图，图9-1和图9-2分别是常规结构传感光缆和2S+2T多功能光缆的事件脉冲波形图。
（2）埋地行走试验
将两条光缆同埋在深0.15m的沟中，然后覆土、压实，由一位试验人员在沟上行走模拟入侵。图10是试验原理示意图，图11是环境背景波形图，图12-1和图12-2分别是常规结构传感光缆和2S+2T多功能光缆的事件脉冲波形图。
（3）埋地跌落试验
将两条光缆同埋在深0.3m的沟中，然后覆土、压实，用一个一定质量的铅球在固定高度自由跌落，冲击在缆上方地面，图13是试验原理示意图，表2给出试验结果。
近年来，随着“数字地球”和“物联网”的提出和建设，光纤传感技术迅速发展，正逐步成为继光纤通信产业发展之后又一大光纤应用技术产业。
利用光纤的各种特性，光纤可以做成各类传感器，但它在空间是点状分布，除了测量点不连续外，还额外需要传输线（光缆或电缆）。分布式光纤传感技术是光纤传感技术中的一个重要分支，也是光纤传感领域的研究热点。
分布式光纤传感技术早在70年代末就被提出，在至今的几十年中，产生了一系列分布式光纤传感的机理和测量系统并趋于成熟，在多个领域得以应用，已成为光纤传感器技术中最具前途的技术之一。
分布式光纤测量系统的最大优势是：它能在整条光纤的连续长度上，以距离的连续函数形式给出被测信息随光纤长度方向的变化，所用的光缆中光纤除了直接成为分布式传感元件还同时用于信息传输，因此，该技术在军用和民用的结构工程、航天、海洋、电力、石油化工及医疗等各个领域得到了广泛应用。
分布式光纤传感技术主要有基于光纤拉曼散射或布里渊散射的光时域反射及频域反射技术、基于光纤瑞利散射的偏振光时域反射技术、长距离光干涉技术以及准分布式光纤布拉格光栅复用技术等。在大部分的传感系统中，主要采用的是常规结构的通信光缆，包括某些被称为的传感光缆，其实还就是常规光缆。
然而，所有常规的通信光缆在设计时的基本原则都是使光纤同外部影响（温度、外力、振动、湿潮环境等）特别是应力隔离或尽量隔离。对常规通信光缆来说，必定要有一个“应力应变窗口”，即光缆在一定的应变范围内其中的光纤不受到应力从而不发生应变。而传感光缆则要求让外部的某一个或某几个被传感信息灵敏和实时地传递给缆内的光纤。
显然，把常规通信光缆作为分布式传感用并不是最理想的。以至于美国密素里罗拉大学（University of Missouri-Rolla）的Filippo Bastianini等人在有关论文中指出：“市场上缺少可用的应变传感光纤产品限制了该技术的发展（见：Proc. SPIE, Vol. 5765, pp. 600-611，2005）。
2006年，通光集团的陈锡浩等人首次提出了应变测量光缆的应变传递能力的概念，提出和设计了应变测量光缆应变传递能力的测试方法，使得光缆的应变测量能力有了定量的测试比较方法，获得了国家专利（200720130071.9），并于2008年在美国召开的国际电线电缆研讨会（57th IWCS）发表， 为分布式应变测量传感光缆的研发提出了关键性能指标和测试方法。
结合应变传感原理和通信要求，通光进一步开发了具有高灵敏传感性能和通信性能为一体的多功能光缆，该技术己申请国家专利（受理号：201120016241.7）。
二、多功能光缆的基本结构
该专利技术的主要特征之一是缆芯内同时含有一个或多个松套光纤通信单元和一个或多个紧包光纤传感单元。
图1至图5给出几个基本结构示意图，在实际应用时并不限于这几个结构。缆芯内的多个松套光纤通信单元（T）和多个紧包光纤传感单元（S）可以按需要任意排列；除了缆芯外，外护套可根据不同安装应用环境选择；缆结构和外形可以是圆形或其他任意形状。
图1 圆型1S+1T
图2 圆型2S+2T
图3 圆型3S+3T
图4 异型2S+1T
图1为圆形结构，缆内含1个传感光纤紧包单元和1个通信光纤松套元；
图2为圆形结构，缆内含2个传感光纤紧包单元和2个通信光纤松套元；
图3为圆形结构，缆内含3个传感光纤紧包单元和3个通信光纤松套元；
图4为圆形结构，缆内含2个传感光纤紧包单元和1个通信光纤松套元。
在缆结构的间隙中，应采用填充绳或加强件或其他合适的材料使缆芯并与护套成为一个整体。
三、多功能光缆的传感性能与常规光缆的对比
1、结构对比
图5是一种被称为传感光缆的示意图，可见其结构与常规光缆完全相同；图6是2S+2T的多功能光缆结构，表1是它们结构的概要参数。
图2为圆形结构，缆内含2个传感光纤紧包单元和2个通信光纤松套元；
图3为圆形结构，缆内含3个传感光纤紧包单元和3个通信光纤松套元；
图4为圆形结构，缆内含2个传感光纤紧包单元和1个通信光纤松套元。
在缆结构的间隙中，应采用填充绳或加强件或其他合适的材料使缆芯并与护套成为一个整体。
三、多功能光缆的传感性能与常规光缆的对比
1、结构对比
图5是一种被称为传感光缆的示意图，可见其结构与常规光缆完全相同；图6是2S+2T的多功能光缆结构，表1是它们结构的概要参数。
图5 常规结构传感光缆 图6 2S+2T多功能光缆
表1 两种光缆结构的概要参数
| 单位 | 常规结构传感光缆 | 2S+2T多功能光缆 | |
| 中心加强件 材料/直径 | mm | 磷化钢丝/1.4 | FRP/2.5 |
| 光单元直径 | mm | 1.7 | 1.4 |
| 光缆外径 | mm | 9.0 | 8.0 |
| 光纤 芯数/类型 | 6/G.652 | 6/G.652 |
目前，光纤分布式传感系统和传感光缆均还没有相应的标准/规范。为了比对光缆的传感性能，设计并采用了采用一些基本的模拟试验方法，用同一套传感系统设备和相同的光纤接线方式，在同一地点、同一条件下连接上述两根光缆进行了一些对比试验。
（1）围栏摆击试验
将两条光缆水平直线安装在同一面标准围栏上，用橡胶锤模拟入侵信号摆击围栏，摆击位置和幅度相同，图7是试验原理示意图，图8是环境背景波形图，图9-1和图9-2分别是常规结构传感光缆和2S+2T多功能光缆的事件脉冲波形图。
图7 原理示意图 图8 环境背景波形图
图9-1 常规结构传感光缆事件脉冲波形图 图9-2 2S+2T多功能光缆的事件脉冲波形图
从图9可见，在围栏摆击试验中，2S+2T多功能光缆的事件脉冲数量（9-2）明显多于常规结构传感光缆（9-1）。最终的数据分析结果表明：2S+2T多功能光缆的围栏摆击事件脉冲数量在相同条件下比常规结构传感光缆多约70%，即灵敏度得到了提高。（2）埋地行走试验
将两条光缆同埋在深0.15m的沟中，然后覆土、压实，由一位试验人员在沟上行走模拟入侵。图10是试验原理示意图，图11是环境背景波形图，图12-1和图12-2分别是常规结构传感光缆和2S+2T多功能光缆的事件脉冲波形图。
图10 试验原理示意图 图11 环境背景波形图
图12-1 常规结构传感光缆的事件脉冲波形图 图12-2 2S+2T多功能光缆的事件脉冲波形图。
从图12可见，在0.15m埋深行走试验中，常规结构传感光缆的事件脉冲波形（12-1）与环境背景波形图很接近，而2S+2T多功能光缆的事件脉冲波形（12-2）明显要多得多。最终的数据分析结果表明：在埋深0.15m时对人员入侵，2S+2T多功能光缆在相同条件下的事件脉冲数量是常规结构传感光缆的约10倍，即明显提高了灵敏度。（3）埋地跌落试验
将两条光缆同埋在深0.3m的沟中，然后覆土、压实，用一个一定质量的铅球在固定高度自由跌落，冲击在缆上方地面，图13是试验原理示意图，表2给出试验结果。
图13 埋地跌落试验原理示意图
表2 埋地跌落试验结果
| 光缆型式 | 常规结构传感光缆 | 2S+2T多功能光缆 |
| 事件脉冲数量 | 18 | 641 |
0.3m埋深跌落试验结果：对物件跃落，2S+2T多功能光缆在相同条件下的事件脉冲数量是常规结构传感光缆的约30倍，即极大地提高了检测灵敏度。
四、结论
分布式光纤传感有非常诱人的应用前景，但是，对专用于分布式传感的光缆研究甚少。在大部分的传感系统中，主要采用的是常规结构的通信光缆，包括某些被称为的传感光缆，其实还就是常规光缆。
对光缆的通信功能而言，其结构（包括光单元）的设计原则是使缆内的光纤与外部尽可能地隔离，以保证光信号在不受外部各种影响的条件下可靠传输。因此，通信光缆主要采用的是松结构技术。
对分布式传感光缆而言，其结构设计基本原则是让外部的某一个或某几个被传感信息灵敏和实时地传递给缆内的光纤。因此，分布式传感光缆采用紧结构技术是有利的。
松结构光缆可以用于传感，但显然灵敏度不够；紧结构光缆可以用于通信，但外界的扰动容易影响通信质量。若要求光缆同时用于通信和传感，无论是紧结构或松结构的光缆，单一结构的光缆对通信和传感都不是最佳的。
本文给出的松紧结构相结合的具有高灵敏传感性能的多功能光缆是一项专利技术，用其中的一个2S+2T光缆结构与常规结构传感光缆对比。结果表明：采用同一个传感设备系统和接线方式、在相同条件下，该多功能光缆在振动传感方面，其事件脉冲数可比常规光缆提高70%至数十倍，即传感灵敏度大为提高。于此同时，它们作为传输的性能完全相同。
在分布式传感光缆领域，当前还没有相应的标准和规范，本文提出了几项初步的模拟试验方法，进一步的试验方法还有待提高和完善。
四、结论
分布式光纤传感有非常诱人的应用前景，但是，对专用于分布式传感的光缆研究甚少。在大部分的传感系统中，主要采用的是常规结构的通信光缆，包括某些被称为的传感光缆，其实还就是常规光缆。
对光缆的通信功能而言，其结构（包括光单元）的设计原则是使缆内的光纤与外部尽可能地隔离，以保证光信号在不受外部各种影响的条件下可靠传输。因此，通信光缆主要采用的是松结构技术。
对分布式传感光缆而言，其结构设计基本原则是让外部的某一个或某几个被传感信息灵敏和实时地传递给缆内的光纤。因此，分布式传感光缆采用紧结构技术是有利的。
松结构光缆可以用于传感，但显然灵敏度不够；紧结构光缆可以用于通信，但外界的扰动容易影响通信质量。若要求光缆同时用于通信和传感，无论是紧结构或松结构的光缆，单一结构的光缆对通信和传感都不是最佳的。
本文给出的松紧结构相结合的具有高灵敏传感性能的多功能光缆是一项专利技术，用其中的一个2S+2T光缆结构与常规结构传感光缆对比。结果表明：采用同一个传感设备系统和接线方式、在相同条件下，该多功能光缆在振动传感方面，其事件脉冲数可比常规光缆提高70%至数十倍，即传感灵敏度大为提高。于此同时，它们作为传输的性能完全相同。
在分布式传感光缆领域，当前还没有相应的标准和规范，本文提出了几项初步的模拟试验方法，进一步的试验方法还有待提高和完善。
