OFC2025 | 无中继器布里渊光时域反射传感系统的远距离光纤监测
引言布里渊光时域反射计（BOTDR）已成为监测光纤中分布式温度和应变变化的强大技术。这项技术对于可再生能源基础设施如海上风电场和太阳能发电场特别有价值，这些设施的高压电力电缆需要在广阔距离上持续监测。传统BOTDR系统通常提供约100公里的传感范围，但最新进展已将这一界限显著推进。
1长距离光纤传感简介可再生能源装置需要稳健的监测解决方案来确保其电力传输系统的完整性。基于布里渊散射的分布式光纤传感器（DFOS）已成为长距离监测应用的首选。这些系统利用光纤中自然发生的布里渊背散射，这种散射对温度和应变变化都很敏感。
传统BOTDR系统的传感范围主要受到光纤上的信号衰减限制。随着探测脉冲在光纤中传播得越远，背散射的布里渊信号逐渐变弱，最终降至检测阈值以下。为克服这一限制，研究人员探索了各种放大技术，包括分布式拉曼放大和远程泵浦的掺铒光纤（EDF）放大器。
2掺铒光纤辅助BOTDR系统延长BOTDR传感范围的创新方法涉及在传感光纤上战略性地放置掺铒光纤放大器。研究论文中演示的实验设置在90公里和140公里处分别使用了两个EDF段。图1. 用于长距离BOTDR的两个EDF段实验设置。OTS4：布里渊OTDR，WDM：波分复用器，EDF：掺铒光纤。
该系统采用商用BOTDR询问器（Luna Innovations的OTS4系列），它在1550 nm波长生成七位编码脉冲序列。这种脉冲编码技术与非编码方法相比，将传感范围延长约35公里。200 ns的脉冲宽度提供20米的空间分辨率。
传感光纤主要由有效面积为150 μm²（SCUBA150）和80 μm²（SCUBA80）的超低损耗TeraWave SCUBA电信光纤组成。SCUBA80光纤位于跨度末端，利用其较小的有效面积增强布里渊散射。
连续波（CW）泵浦激光器远程为两个长度分别为12米和11米的EDF段（OFS Rightwave LP980）供能。泵浦通过单独的超低损耗SCUBA150光纤传播，以避免分布式拉曼放大，后者可能会扭曲探测脉冲。90公里处的10 dB耦合器将泵浦功率分配给两个EDF段。
为获得最佳性能，探测峰值功率设定为23.7 dBm，向两个EDF段发射的泵浦功率为2.5 mW。输入处的总泵浦功率为2.2 W。在这些条件下，系统成功测量了整个250公里范围内的布里渊峰值频率，在90公里处的测量不确定性为1.7 MHz，在140公里处为0.3 MHz，在远端为3.5 MHz。
2利用正常色散光纤减轻调制不稳定性长距离BOTDR的关键挑战之一是非线性效应的存在，特别是调制不稳定性（MI）。MI是由于光纤中克尔诱导的非线性和反常色散的相互作用而产生的，导致产生谱侧带，这些侧带减弱中心峰值功率并向测量引入噪声。图2. 测量的布里渊峰值频率：a) 250公里SCUBA光纤和b) 不同探测峰值功率下由于调制不稳定性导致的探测频谱展宽（实线显示模拟结果），以及c) 不同泵浦功率下发射到EDF的情况。
研究人员使用260公里SCUBA光纤和在120公里处有单个EDF放大段的设置，检查了MI对探测频谱的影响。结果清楚地表明，增加探测峰值功率或泵浦功率都会加剧MI，导致明显的频谱展宽。这种展宽不仅降低了布里渊信号功率，还增加了探测器带宽内的瑞利散射噪声。
为减轻MI引起的噪声，研究人员将第二个EDF后的50公里SCUBA150光纤段替换为49公里的TrueWave XL（TWXL）光纤，该光纤在1550 nm处具有-3.0 ps/nm·km的正常色散。这种战略性替换抵消了SCUBA光纤中存在的反常色散，从而减少了适合MI的条件。图3. a) 测量的250公里光纤的布里渊峰值频率，其中在140公里的第二个EDF后连接了49公里Truewave XL光纤 b) 仅覆盖SCUBA光纤频率的峰值频率测量 c) 比较峰值频率拟合的不确定性。
引入正常色散TWXL光纤在光纤跨度的远端显著改善了测量质量。具体来说，250公里处测量的布里渊峰值频率的不确定性从3.5 MHz降至2.4 MHz。这一改进允许在整个传感范围内进行更准确的温度和应变测量。
然而，研究人员注意到TWXL光纤的较高损耗系数（0.20 dB/km，而SCUBA光纤为0.15 dB/km）在平衡两个EDF段之间的泵浦功率方面带来了挑战。他们建议，未来实现的理想光纤应该将正常色散与现代电信光纤的低损耗特性相结合。
3结论研究表明，通过战略性放置掺铒光纤放大器，BOTDR传感范围可以延伸至250公里，而无需采用分布式拉曼放大。在设置中加入正常色散光纤有效减少了来自调制不稳定性的非线性噪声，提高了极长距离的测量准确性。
这一突破对于海上可再生能源装置的海底电力电缆监测具有重要意义，使基础设施管理更加有效和可靠。随着将正常色散与超低损耗特性相结合的专用光纤的发展，所呈现的技术可能会进一步改进。
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