Ф-OTDR光纤传感系统的硬件设计与实现.pdf

摘要

分布式光纤传感技术在长距离安防、周界安防等领域具备广阔的应用市场。因其具备不

受外界电磁干扰、监测范围大、对外界扰动灵敏等优点，适合于易燃易爆、周围环境复杂的

特殊场合或者需要智能化管理的重点场合使用。

本文基于相位敏感光时域反射原理（PhaseSensitiveOpticalTimeDomainReflectometer，

Φ-OTDR），研究并设计了能够预处理传感信号和进行系统控制并具备视频联动等功能拓展的

高速信号处理板，搭建了Φ-OTDR传感系统。所设计的高速信号处理板以现场可编程门阵列

（FieldProgrammableGateArray，FPGA）芯片为控制核心，能够同时控制系统中光源、光信

号接收板，与上位机通信。具体的工作内容如下：

（1）对分布式光纤传输技术研究背景与意义进行了介绍，并对Φ-OTDR技术研究现状

进行了阐述。从理论上分析了光纤中的散射效应以及Φ-OTDR传感系统工作原理。

（2）针对实验室上一代Φ-OTDR传感系统中，信号处理板的FPGA型号较老、内部资

源耗尽、缺乏高速信号接口、无法进行视频联动等功能拓展的问题。通过器件选型和原理图

绘制等硬件电路设计，提出了一款高速信号处理板。不仅具备预处理传感信号、控制光源、

控制光信号接收板的功能模块，能够满足Φ-OTDR传感系统的基本需求；新增数据缓存模块

最高可缓存512MB数据。新增以太网模块和光模块，为系统接收视频光信号实现视频联动

或实现板间通信打下硬件基础；设计了电源电路和时钟电路，为高速信号处理板中各功能模

块的正常运行提供稳定的电源电压和时钟信号。

（3）针对高速信号处理板的电源模块和时钟模块进行功能验证，确保电源芯片输出的供

电电压能够满足处理板的需求以及时钟芯片输出稳定的时钟信号。在此基础上实现程序烧录

和FPGA工作状态信息读取以及内部波形抓取，确保满足系统联调的前提条件。

（4）搭建Φ-OTDR传感系统，并实现系统联调。在实验室环境中，针对系统性能，进行

传感距离、扰动数量、定位精度、响应时间、误报率等方面的实验。实验结果表明传感距离

可达44km，能够监测到5点同时扰动。单点以及两点、三点同时扰动情况下的定位精度可

达±10m，响应时间＜1s，误报率≤3%；四点和五点同时扰动情况下的定位精度可达±30m，

响应时间＜2s，误报率≤5%。然后介绍了耦合模理论以及模式选择耦合器。以实现视频联动

技术和Φ-OTDR传感技术结合为目标，提出了一种基于模分复用视频联动的Φ-OTDR传感

系统架构。

关键词：相位敏感光时域传感技术，背向散射，硬件电路设计，性能测试，模分复用

Abstract

Distributedopticalfibersensingtechnologyhasabroadapplicationmarketinlongdistance

security,perimetersecurityandotherfields.Duetothedistinctiveadvantagesofimmunityto

electromagneticinterference,largemonitoringrange,sensitivetoexternaldisturbanceandother,itis

suitableforflammableandexplosive,complexsurroundingenvironmentortheneedforintelligent

managementofspecialoccasions.

Basedontheprincipleofphase-sensitiveopticaltime-domainreflection(Φ-OTDR),thispaper

studiesanddesignsahigh-speedsignalprocessingboardwhichcanpreprocesss