收稿日期：２０２１－０６－２８基金项目：国家重点研发计划（２０２１ＹＦＢ２４００６００）
引用格式：郦洪柯，杨林刚，逯港，等．一种基于Φ ＯＴＤＲ长
距离海缆振动探测关键技术研究［Ｊ］．测控技术，２０２３，４２（３）：１１２－１１７．ＬＩＨＫ，ＹＡＮＧＬＧ，ＬＵＧ，ｅｔａｌ．ＫｅｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＬｏｎｇ ＤｉｓｔａｎｃｅＳｕｂｍａｒｉｎｅＣａｂｌｅＶｉｂｒａｔｉｏｎＤｅｔｅｃｔｉｏｎＢａｓｅｄｏｎΦ ＯＴＤＲ［Ｊ］．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆ＣｏｎｔｒｏｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２３，４２（３）：１１２－１１７．
一种基于Φ ＯＴＤＲ长距离海缆振动探测关键技术研究
郦洪柯１
，杨林刚１
，逯　港２
，赵棣楠３
，马润泽
１
（１．中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州　３１１１２２；２．上海安馨信息科技有限公司，上海　２０１３０６；
３．上海海事大学，上海　２０１３０６）
摘要：振动可以作为探测外部冲击破坏的指标参数，远海范围的海缆安全防护对低成本、长距离、高信噪比的海缆振动探测提出了更高的要求。通过对相位敏感光时域反射计（Φ ＯＴＤＲ）
的长距离海缆振动探测进行分析探讨，得出在５０ｋｍ以上的长距离海缆探测的主要问题是末端的探测脉冲存在巨大的传输损耗，长距离海缆末端探测信号容易湮没在噪声中。对比以Φ ＯＴＤＲ作为探测设备的直接探测方案、外差相干探测方案、双向拉曼探测方案以及末端振动信号降噪方案，在结合双向拉曼放大技术以及外差
检测技术上
，提出一种末端振动探测的降噪方法，以此来解决长距离海缆末端振动探测的问题。经过实验验证该方案实现的振动探测距离达
１２０ｋｍ，探测光纤末端的信噪比得到有效提升。关键词：双向拉曼放大；外差检测；
降噪方法中图分类号：ＴＰ２９  文献标志码：Ａ  文章编号：１０００－８８２９（２０２３）０３－０１１２－０６ｄｏｉ：１０．１９７０８／ｊ．ｃｋｊｓ．２０２２．０６．２６６
ＫｅｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＬｏｎｇ ＤｉｓｔａｎｃｅＳｕｂｍａｒｉｎｅＣａｂｌｅＶｉｂｒａｔｉｏｎＤｅｔｅｃｔｉｏｎ
ＢａｓｅｄｏｎΦ ＯＴＤＲ
ＬＩＨｏｎｇ ｋｅ１牞ＹＡＮＧＬｉｎ ｇａｎｇ１牞ＬＵＧａｎｇ２牞ＺＨＡＯＤｉ ｎａｎ３牞ＭＡＲｕｎ ｚｅ１
牗１．ＰｏｗｅｒＣｈｉｎａＨｕａｄｏｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．牞Ｌｔｄ．牞Ｈａｎｇｚｈｏｕ３１１１２２牞Ｃｈｉｎａ牷２．ＳｈａｎｇｈａｉＡｎｘｉｎＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ．牞Ｌｔｄ．牞
Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１３０６牞Ｃｈｉｎａ牷３．ＳｈａｎｇｈａｉＭａｒｉｔｉｍｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ牞Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１３０６牞Ｃｈｉｎａ牘
Ａｂｓｔｒａｃｔ牶Ｖｉｂｒａｔｉｏｎｃａｎｂｅｕｓｅｄａｓａｎｉｎｄｅｘｐａｒａｍｅｔｅｒｆｏｒｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｅｘｔｅｒｎａｌｓｈｏｃｋｄａｍａｇｅ．Ｔｈｅｓａｆｅｔｙｐｒｏ ｔｅｃｔｉｏｎｏｆｓｕｂｍａｒｉｎｅｃａｂｌｅｓｉｎｔｈｅｆａｒｓｅａｐｕｔｓｆｏｒｗａｒｄｈｉｇｈｅｒｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｎｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆｓｕｂ ｍａｒｉｎｅｃａｂｌｅｓｗｉｔｈｌｏｗｃｏｓｔ牞ｌｏｎｇｄｉｓｔａｎｃｅａｎｄｈｉｇｈｓｉｇｎａｌ ｔｏ ｎｏｉｓｅｒａｔｉｏ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎｏｆｔｈｅｌｏｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅｓｕｂｍａｒｉｎｅｃａｂｌｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｄｅｔｅｃｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｐｈａｓｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅｏｐｔｉｃａｌｔｉｍｅｄｏｍａｉｎｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅ ｔｒｙ牗Φ ＯＴＤＲ牘牞ｉｔｉｓｃｏｎｃｌｕｄｅｄｔｈａｔｔｈｅｍａｉｎｐｒｏｂｌｅｍｉｎｔｈｅｌｏｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅｓｕｂｍａｒｉｎｅｃａｂｌｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｂｏｖｅ５０ｋｍｉｓｔｈａｔｔｈｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｐｕｌｓｅａｔｔｈｅｅｎｄｈａｓａｈｕｇｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｏｓｓ牞ａｎｄｔｈｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｉｇｎａｌａｔｔｈｅｅｎｄｏｆｔｈｅｌｏｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅｓｕｂｍａｒｉｎｅｃａｂｌｅｉｓｄｒｏｗｎｅｄｅａｓｉｌｙｉｎｎｏｉｓｅ．Ｃｏｍｐａｒｉｎｇｔｈｅｄｉｒｅｃｔｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅ牞ｔｈｅｈｅｔｅｒｏ ｄｙｎｅｃｏｈｅｒｅｎｔｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅ牞ｔｈｅｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌＲａｍａｎｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅａｎｄｔｈｅｔｅｒｍｉｎａｌｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌｎｏｉｓｅｒｅｄｕ
ｃｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅｔｈａｔｕｓｅｓｔｈｅΦ ＯＴＤＲａｓｔｈｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅ牞ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌＲａｍａｎａｍ ｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅｃｏｈｅｒｅｎｔｄｅｔｅｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ牞ａｎｏｉｓｅｒｅｄｕｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｆｏｒｅｎｄｖｉｂｒａｔｉｏｎｄｅｔｅｃｔｉｏｎｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｖｉｂｒａｔｉｏｎｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｔｔｈｅｅｎｄｏｆｌｏｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅｓｕｂｍａｒｉｎｅｃａｂｌｅｓ．Ｉｔｈａｓｂｅｅｎｖｅｒｉｆｉｅｄｂｙｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｔｈａｔｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｄｉｓｔａｎｃｅａｃｈｉｅｖｅｄｂｙｔｈｉｓｓｏｌｕｔｉｏｎｉｓｕｐｔｏ１２０ｋｍ牞ａｎｄｔｈｅｓｉｇｎａｌ ｔｏ ｎｏｉｓｅｒａｔｉｏｏｆｔｈｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｆｉｂｅｒｅｎｄｉｓｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｉｍｐｒｏｖｅｄ．
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  近年来，随着海上风电井喷式发展，国内近海领域的风场资源迅速完成开发，未来风电场必将拓展至远海领域，承担电力传输与通信控制的光电复合海缆是海上风电场的生命脐带，其长度也将随着风场远离海岸线而增加。海缆埋于海床泥面中，船舶抛锚等外部因素使得海缆存在被损害的潜在风险。海缆造价高昂，一旦海缆遭到破坏，造成的损失不可估量。
基于瑞利散射的相位敏感光时域反射计（Ｐｈａｓｅ
ｓｅｎｓｉｔｉｖｅＯｐｔｉｃａｌＴｉｍｅＤｏｍａｉｎＲｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ，Φ ＯＴＤＲ）技术分布式光纤传感技术，以其探测灵敏度高、抗电磁干扰等优势得以广泛应用，近海风场使用该项技术对海缆周边的振动情况进行探测，实现安全探测的目的。近海风电的海缆长度一般不超过６０ｋｍ，而远海风电海缆长度一般达５０～８０ｋｍ，甚至超过１００ｋｍ。未来远海风场海缆振动探测需要在探测距离上获得大幅提升。因此，研究超长距离的海缆振动探测解决方案具有重要意义。
Φ ＯＴＤＲ利用瑞利效应探测光纤中激光散射信号，随着光纤长度的增加，散射信号幅度呈指数级衰减，信号传输距离不能满足长距离探测的需要，提升传感信号的传输距离成为研究难题和热点。传统Φ ＯＴ
ＤＲ可以通过掺铒光纤放大器（Ｅｒｂｉｕｍ ＤｏｐｅｄＦｉｂｅｒＡｍｐｌｉｆｉｅｒ，ＥＤＦＡ）来提高入射光的功率，从而提高瑞利散射的强度。但由于受激布里渊散射（ＳｔｉｍｕｌａｔｅｄＢｒｉｌ
ｌｏｕｉｎＳｃａｔｔｅｒｉｎｇ，ＳＢＳ）阈值的限制，入纤功率的提高有一定限度［１］。引入分布式放大技术，可对抽运光和信号光进行放大。目前分布式放大技术主要有前向拉曼放大［２］、后向拉曼放大［３］、外差检测技术［４］等。超长距离探测实现的难点不仅在于距离的延伸，末端
探测噪声问题也亟待解决，探测光能量在超长距离传输的末端信号呈指数级衰减，末端探测信号弱，探测到的振动信号容易湮没在噪声中，需要结合信号处理的方法提高信噪比。
海缆受到破坏的因素主要是船只抛锚，所以依据实际工程经验，抛锚的振动频率小于１．５ｋＨｚ，振动探测的频率范围只需要涵盖这个范围即可。远海领域的风电场海缆振动探测需要有更大的动态探测范围和超长的传感距离。本文提出一种结合双向拉曼放大与外差检测的技术方案来实现传感距离的延伸以及海缆末端信号探测的提升。
１　Φ ＯＴＤＲ振动探测技术的基本原理１．１　Φ ＯＴＤＲ原理
Φ ＯＴＤＲ系统是在ＯＴＤＲ系统的基础上改进的一种分布式传感系统，两者之间最大的区别在于Φ ＯＴ ＤＲ系统采用了超窄线宽激光脉冲作为输入光源，此类光源同时具备低频率漂移特性，这种改进方式极大地提高了输入光源的相干性与稳定性［５］。Φ ＯＴＤＲ原
理的系统结构如图１所示，入射光波通过脉冲发生器调制产生探测光脉冲，探测光脉冲经过定向耦合器注入待测光纤中，光纤中发生瑞利散射。同时，背向瑞利散射光通过定向耦合器输出到光电探测器中，其输出的电流信号经放大器放大后，通过模数转换经过信号控制处理后得到探测曲线，从而实现对光纤各个位置点的定位
。
图１　Φ ＯＴＤＲ系统结构图１．２　ＥＤＦＡ脉冲放大
ＥＤＦＡ（掺铒光放大器）利用掺Ｅｒ３＋离子在９８０ｎｍ／１４８０ｎｍ泵浦光作用下受激吸收形成粒子数反转；当波长为１５００～１６００ｎｍ的信号光经过掺铒光纤时，处于激发态的Ｅｒ３＋受激跃迁到基态，产生与信号光同频率、同相位的光子，通过增加光子数来实现光放大［６］，具有增益大、结构简单、泵浦效率高等优点。ＥＤＦＡ的主要作用是放大光信号，提高激光入纤功率。
１．３　基于外差检测的系统
外差检测的方法是将激光器发出的激光经耦合器１分成两束，一束经过声光调制器调制成探测光脉冲，再经耦合器１注入被测光纤，另一束则用作相干探测的参考光。探测光脉冲在被测光纤中的背向
瑞丽散射光信号与参考光混合之后再经耦合器２耦合到光电探测器中，光电探测器将两者混合时产生的中频信号转化为电信号后，由数字信号处理单元解调出中频信号的功率，从而得到探测曲线。外差检测系统原理如图２所示。
图２　外差检测系统原理
·
３１１
·
一种基于Φ ＯＴＤＲ长距离海缆振动探测关键技术研究
  激光通过一个３ｄＢ的耦合器按１∶１分成２个部分：信号光和本振光。声光调制器用于产生频率偏移Δｆ以及光脉冲。当发生振动的时候环形器输出瑞利背向散射光，瑞利背向散射光信号ＥＳ
为
ＥＳ
＝Ｅｂ
（ｔ）ｅｘｐｊ（２π（ｆ＋Δｆ）ｔ＋φ（ｔ））（１）式中：Ｅｂ
（ｔ）为信号光的振幅；ｆ为信号光的频率；φ（ｔ）为信号光的相位。本振光信号的表达式为ＥＬ＝ＥＬｏ
（ｔ）ｅｘｐｊ（２πｆｔ）（２）式中：ＥＬｏ
（ｔ）为本振光的振幅；ｆ为本振光的频率。瑞利背向散射光与本振光混合通过另一个３ｄＢ的耦合器，然后将混合信号发送到平衡探测器。检测到的电流与光功率成正比。Ｉ（ｔ）∝ＥＬｏ（ｔ）２＋Ｅｂ（ｔ）
２＋
２ＥＬｏ
（ｔ）Ｅｂ（ｔ）ｃｏｓθ（ｔ）ｃｏｓ（２πｆ（ｔ）＋φ（ｔ
））
（３）
式中：Ｉ（ｔ）为电流强度；θ（ｔ）和φ（ｔ）分别为反向散射信号和本振光之间的相对偏振角和相位。
１．４　双向拉曼放大在光纤（同向或反向）传输时，强泵浦光的功率会转移给弱信号光，实现信号光的放大，这个过程称为受激拉曼作用，光纤拉曼放大技术根据该原理来实现光信号放大。双向拉曼放大结构如图３所示。由图３可以看出，双向拉曼放大技术的实现是在激光入射部分的耦合器后加入一个拉曼光纤激光器，用作前向拉曼放大，
图３　双向拉曼放大结构在光纤末端接入另外一个拉曼光纤激光器，用作后向拉曼放大。双向拉曼放大技术弥补了单用前向拉曼放大技术或后向拉曼放大技术的距离不足的缺点。双向拉曼放大技术是通过波分复用器在光纤的头端和末端接入１３６６ｎｍ波长的光，由此引发受激拉曼散射效应。从量子力学角度来说，入射光场中的一个光子被湮灭，从而产生一个频率较低的光子和声子，该过程满足能量守恒定理，所以探测光的能量由此被增大。
２　
长距离振动探测关键技术
２．１　
长距离振动探测系统
光在长距离的信号探测中会出现能量衰减的情况，解决大长度光纤的测量问题的核心在于提高光传输的功率，因此在前端和后端加入拉曼放大可以提高激光入纤功率以及后向瑞利散射的强度。为了满足远海领域振动探测的要求，使用外差相干检测结合ＥＤ
ＦＡ以及双向拉曼放大的方案来实现超长距离的振动探测。在前向入纤端加入ＥＤＦＡ以及前向拉曼，在尾端加入后向拉曼，使用外差检测技术，可提升探测距离。上述原理的示意图如图４所
示。图４　长距离振动探测原理
２．２　
系统评价指标
系统评价指标有传感距离以及信噪比。传感距离是系统探测的有效范围，系统传感距离不仅受限于光在传输过程中的损耗，而且受限于系统自身的性能、噪声等外部因素。系统传输距离主要与探测光频率有关系。
Ｌ＝ｃ／２ｎｆ（４）
式中：Ｌ为传输距离；ｃ为真空中的光速；ｎ为光纤折射率；ｆ为探测光的脉冲频率。由式（４）可以看出，系统的传感距离与探测光脉冲频率成反比，探测光脉冲频率越高，传输距离越短。实际上传感距离主要由光纤脉冲信号强度决定，在光纤末端传输能量衰减很大，当
光纤末端信号很弱且信噪比很低时，系统无法实现有
效的传感。信噪比是输出信号功率与噪声功率的比值，可作为评价信号传输质量的指标，在基于外差检测的系统中，信噪比指标与系统噪声有关系。２．３　噪声处理方法
系统有３个噪声来源：散粒噪声、热噪声［１
］以及激
submarine
光探测过程中光功率的涨落产生的相对强度噪声。散粒噪声σ２
ｓ
的
表达式［７
］为σ２ｓ
＝２ｑ（Ｉ＋Ｉｄ
）ΔＢ
（５）式中：Ｉｄ为检测器的暗电流；Ｉ为检测器的电流，Ｉｄ
＜Ｉ；ΔＢ为
接收器的带宽。·
４１１·《测控技术》２０２３年第４２卷第３期
热噪声σ２
Ｔ
的
表达式［８
］为σ２
Ｔ＝（４ｋＢＴ／ＲＬ）ＦｎΔｆ
（６）
式中：ｋＢ
为玻尔兹曼常数；Ｔ为绝对温度；ＲＬ
为负载电阻；Ｆｎ
为前置放大器和主放大器中使用的各种电阻造成热噪声的因子。热噪声来源于系统中放大器使用的各种电阻。相对强度噪声σ２
ｅｘ
的
表达式［９－１１
］为σ２ｅｘ
＝（１＋α２
）Ｉ２Δｆ
Δｖ()ｅｆｆ
（７）式中：α为偏振度；Δｖｅｆｆ
为有效线宽。外差检测的ＳＮＲ描述［１２－１４
］为ＳＮＲ＝〈Ｉ２
ａｃ〉σ２
＝２Ｒ２
ＰｂＰ
Ｌｏ
２ｑ（ＲＰＬｏ＋Ｉｄ
）Δｆ＋σ
２Ｔ
（８）式中：〈Ｉ２ａｃ
〉为系统平均光功率；σ２
为系统噪声；ＰＬｏ
为本振光功率；Ｐｂ
为信号光功率；σ２Ｔ
为热噪声；Ｒ为放大器中的负载电阻值。热噪声和放大器的负载电阻是由系统硬件决定的，相关参数不易修改，但可以通过提高信号光功率来提高探测的信噪比
［１５
］。为了减少热噪声以及散粒噪声引起的瑞利信号迹线的幅度波动，需要用信号处理的方法降低噪声干扰［１６
］。使用滑动平均与时域差分结合（ＭｏｖｉｎｇＡｖｅｒ
ａｇｅＴｉｍｅＤｏｍａｉｎＤｉｆｆｅｒｅｎｃｅ，
ＭＡＴＤＤ）的方法将振动信号提取出来，该方法的核心是通过相似的迹线来减少有限的原始迹线中的随机噪声，取３个相邻时段的信号能量均值作为参考迹线，在此基础上使用当前时段的能量信号减去参考迹线，可区别出连续的高频信号。热噪声和散粒噪声的直接作用是信号的直流分量，可以把式（３）简化为
Ｅ（ｔ）＝Ｄ＋Ａｃｏｓ（θ（ｔ）＋φ
）（９）
式中：Ｅ（ｔ）为探测到的光功率；Ｄ为探测器输出光强信号的直流分量；Ａ为光强信号的波动幅度。Ｄ和Ａ满足以下关系：
Ｄ＝ＥＬｏ（ｔ
）２
＋Ｅｂ
（ｔ）
２
（１０）
Ａ＝２ＥＬｏ
（ｔ）Ｅ
ｂ（１１）
Ｄ
和Ａ是由大量散射脉冲的幅值和相移共同决定的，为了提取单位有效信号，可以使用信号处理的方法进行归一化处理，设Ｅ（ｔ）的上包络为ｆｕｐ
，下包络为ｆｄｏｗｎ
，对直流分量Ｄ和波动幅度进行计算。
Ｄ≈
１
２
（ｆ
ｕｐ
＋ｆｄｏｗｎ
）
（１２）
Ａ≈ｆｕｐ－ｆｄｏｗｎ
（１３）
对于末端信号的处理过程如图５所示。
图５　末端信号处理过程
３　
实验结果
在
实验室环境下主要进行长度对比以及信号处理的
实验，实验室具备长距离光纤以及固定频率振动发生
器的实验条件。实验在采样频率为２０ＭＨｚ、扫频为１ｋＨｚ的条件下进行。３．１　无拉曼放大外差检测探测系统依据外差检测方法构建系统，不加拉曼放大进行测试效果比较。测试光纤的长度为
１２０ｋｍ。系统采用１５５０ｎｍ的光源，脉冲调制频率为５００Ｈｚ，脉冲宽度为３００ｎｓ，无拉曼放大，光源电流为１５０ｍＡ，ＥＤＦＡ泵
浦电流为１５０ｍＡ，系统测量距离为１２０ｋｍ。如图５所示，测量光纤长度为８０ｋｍ处为能量
衰减临界，探测距离截止位置至８０ｋｍ。使用外差检测方法结合ＥＤＦＡ放大的方案，振动探测距离达８０ｋｍ，末端信噪比为６ ７４ｄＢ。图６为振动探测能量信号。横坐标对应采样点数１２００００个，１２００００对应所测光纤长度１２０ｋｍ。图６　无拉曼放大外差检测探测系统效果图
３．２　
基于前向拉曼放大的外差检测探测系统
系统末端的探测信号随探测距离增长而减弱，无拉曼放大测量系统对微弱信号的探测能力有限。加入
前向拉曼的探测系统，采用
１５５０ｎｍ激光光源，脉冲调制频率为５００Ｈｚ，脉冲宽度为３００ｎｓ，ＥＤＦＡ泵浦电流设置为１５０ｍＡ，前向拉曼增益设置为２５ｄＢ。前向拉曼放大提高了前向探测的功率，前端光纤探测能量明显增大，末端探测能量明显得到提升，探测最大长度可达
１００ｋｍ，末端信噪比为７．６９ｄＢ，但探测距离得到提升的效果不明显，如图
７所示。３．３　基于双向拉曼放大的外差检测探测系统前向拉曼放大技术能提高光纤前端光入射功率，后向拉曼放大可提高背向瑞利散射的功率。结合二者能量提高的方法，可以提高光在超长距离光纤中的整体传输能量。在进行双向拉曼放大实验中，所测光纤
·
５１１·一种基于Φ ＯＴＤＲ长
距离海缆振动探测关键技术研究
图７　基于前向拉曼放大外差检测探测系统效果图
长度为１２０ｋｍ，光源电流设置为１５０ｍＡ，ＥＤＦＡ泵浦电流设置为１５０ｍＡ，前向拉曼增益设置为２５ｄＢ，在光纤末端加入增益为２５ｄＢ的后向拉曼，能有效拓展振动探测的长度，探测距离达１２０ｋｍ，末端信噪比为８ ６７ｄＢ。图８中使用双向拉曼放大技术，光纤前端信号能量明显被放大，加入后向拉曼放大技术的光纤末端能量高于未使用后向拉曼放大技术的光纤末端能量。但光纤前端能量较大，易受噪声影响
。
图８　基于双向拉曼放大外差检测探测系统效果图
３．４　
末端信号处理算法
末端信号的能量在加入后向拉曼时得到加强，但末端探测信号的强度并未得到提升。对能量信号进行分段处理：０～２０００采样点；２００１～４０００采样点；４００１～８０００采样点；８００１～１６３８４采样点。分段之后按１∶８∶３２进行比例放大，最终可实现末端能量的放大。使用信号处理的方法与加入后向拉曼放大技术具体实现的效果如图９所示。软处理后光纤末端信号得到增强，为了防止振动信号淹没在噪声中，需要使用信号处理的方法来去除
系统噪声的影响。设定当前信号为
ｓ（ｔ），前１ｓ的能图９　信号处理后探测信号增强效果图
量信号为ｓ（ｔ－１），前２ｓ处理后的能量信号为ｓ（ｔ－
２），最终处理后的信号为Ｙ（ｔ）＝ｓ（ｔ）－（ｓ（ｔ）＋ｓ（ｔ－１）＋ｓ（ｔ－２）／３）（１４）外部影响造成连续振动，振动位置的能量大于周围无振动位置的能量。设定前提条件：除噪声影响外，认为外部振动发生时，振动点的能量要远大于周围信号；振动是持续发生的事件。信号处理方法建立在此前提条件上。本文提出基于ＭＡＴＤＤ的方法将振动事件与周围信号区分开。为了探究该算法的实验效果，进行长距离振动探测实验，实验光纤长度为１２０ｋｍ，对应采样点１２０００，实验中使用Φ ＯＴＤＲ探测设备，激光光源ＡＣＣ模式下设置为１５０ｍＡ，ＥＤＦＡ脉冲设置为１５０ｍＡ，前端拉曼泵浦光功率设置为２５ｄＢ，后端拉曼泵浦光功率设置为２５．５ｄＢ，所用ＡＯＭ调制脉冲的频率为１ｋＨｚ，脉宽１００ｎｓ，峰值电压为３．３Ｖ，偏移为１ ６５ｍＶ。实验中，在１２０ｋｍ处人为产生振动，用设备进行振动信号探测，使用该方法对信号进行处理前后的效果对比如图１０所
示。图１０　光纤末端信号进行处理前后效果对比图
·
６１１·《测控技术》２０２３年第４２卷第３期

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