一文解析Ф-OTDR的原理及關(guān)鍵傳感參數(shù)

近日，由中國光學(xué)工程學(xué)會(huì)聯(lián)合光電子產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)共同打造的光電領(lǐng)域系列公開課「云光課堂」重磅上線「科普之光」，該欄目首迎南方科技大學(xué)邵理陽教授直播分享《AI驅(qū)動(dòng)的DAS技術(shù)真的能聽風(fēng)、聽地、聽海嗎？》，該報(bào)告主要介紹了基于AI驅(qū)動(dòng)的DAS技術(shù)原理，在聽風(fēng)/聽地/聽海等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用案例，并就團(tuán)隊(duì)在分布式光纖振動(dòng)傳感領(lǐng)域取得的新成果、實(shí)現(xiàn)的新突破，進(jìn)行了系列深度分享。DAS以其長距離、高空間分辨率、連續(xù)測(cè)量無盲區(qū)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在地震預(yù)報(bào)檢測(cè)、水聲傳感、周界安防預(yù)警等領(lǐng)域取得了突破性實(shí)際技術(shù)應(yīng)用一攬子解決方案，對(duì)相關(guān)行業(yè)的發(fā)展提供了新技術(shù)應(yīng)用的新高地新示范。

團(tuán)隊(duì)與南京大學(xué)合作共同對(duì)該技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展概括性綜述，以Advances in phase-sensitive optical time-domain reflectometry為題目發(fā)表在Opto-Electronic Advances期刊，該篇報(bào)道被編輯選為2022年第5卷第3期的封底文章（Back Cover Paper），被20多家國內(nèi)外媒體轉(zhuǎn)載報(bào)道，包括Physics.org，NyPost，MyDroll，AlphaGalileo，EurekAlert!，Pubcard，OEA，Hotpaper，CHNSci等國際知名網(wǎng)站，以及光電科技情報(bào)網(wǎng)，光纖傳感focus，光電匯，纖維說，光電期刊，光電讀書，南創(chuàng)中心，國際聲學(xué)技術(shù)產(chǎn)業(yè)研究院等國內(nèi)知名公眾號(hào)，受到了海內(nèi)外學(xué)術(shù)界技術(shù)界高度關(guān)注！

團(tuán)隊(duì)與澳門大學(xué)合作，提出基于瑞利散射自相干信號(hào)的直接探測(cè)與接收方案，實(shí)現(xiàn)分布式振動(dòng)波形定量傳感解調(diào)，成果以Quantitative demodulation of distributed low-frequency vibration based on phase-shifted dual-pulse phase-sensitive OTDR with direct detection為題目，發(fā)表在Optics Express期刊。

邵理陽研究員帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，與江蘇省有關(guān)部門合作，編寫了江蘇省地方標(biāo)準(zhǔn)《水下隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》（DB32/T 4243-2022）已經(jīng)正式發(fā)布。該規(guī)程系統(tǒng)總結(jié)了江蘇省水下隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，形成了適用于江蘇省特殊環(huán)境的水下隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)相關(guān)技術(shù)要求，為在全國全行業(yè)水下隧道工程中進(jìn)一步推廣結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)，奠定了技術(shù)性先行示范應(yīng)用基礎(chǔ)。

01 引言

自2005年首個(gè)基于相位敏感光時(shí)域反射技術(shù)（Ф-OTDR）的光纖分布式振動(dòng)傳感（DVS）系統(tǒng)問世以來，Ф-OTDR得到了快速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，并進(jìn)一步產(chǎn)生了具有定量分析聲波振幅能力的分布式聲波傳感（DAS）技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，技術(shù)研究者們對(duì)提升Ф-OTDR系統(tǒng)傳感性能的技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，包括傳感距離、空間分辨率、頻率響應(yīng)范圍、事件識(shí)別準(zhǔn)確率等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。基于其優(yōu)越的長距離、高分辨率分布式振動(dòng)/聲波傳感能力，Ф-OTDR技術(shù)近年來得到了廣泛的工程應(yīng)用。在地震監(jiān)測(cè)、油氣資源勘探、管道泄漏檢測(cè)、周界入侵報(bào)警、電纜局部放電報(bào)警等領(lǐng)域，均有較成功的應(yīng)用示范。

Φ-OTDR系統(tǒng)中，通過解調(diào)背向瑞利散射信號(hào)的相位信息，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)事件波形的定量還原。目前主要的相位解調(diào)方法，包括引入本振光的外差/零差相干檢測(cè)方法，以及不需要本振光的背向瑞利散射自相干檢測(cè)方法。其中，前者由于本地振蕩光的存在，信號(hào)強(qiáng)度大，且解調(diào)算法簡單，但本振光和傳感光纖遠(yuǎn)端返回的散射信號(hào)之間存在較大的時(shí)延，導(dǎo)致較嚴(yán)重的激光源相位噪聲干擾，影響Φ-OTDR對(duì)低頻振動(dòng)的傳感性能。而對(duì)于后者，主要實(shí)現(xiàn)方案有基于雙脈沖探測(cè)的Φ-OTDR系統(tǒng)，以及在接收端結(jié)合非平衡干涉儀的瑞利散射自相干檢測(cè)方案。在這兩種方案中，干涉光之間的光程差是固定的（由雙脈沖之間時(shí)間間隔，或非平衡干涉儀兩臂之光程差決定），且遠(yuǎn)小于基于本振光的相干檢測(cè)系統(tǒng)，因此可以將激光源噪聲的影響大幅降低。但目前報(bào)道中，瑞利散射自相干信號(hào)的相位解調(diào)方法相對(duì)比較復(fù)雜，如phase-generated carrier, differential and cross multiply等方案。

未來，在攻克新型傳感光纜、創(chuàng)新傳感機(jī)制、高效數(shù)據(jù)解調(diào)算法、精準(zhǔn)振動(dòng)事件識(shí)別等關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，基于Ф-OTDR的光纖分布式聲波傳感技術(shù)將進(jìn)一步發(fā)揮其應(yīng)用潛力，有望在形狀傳感、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域取得新突破。

02 Ф-OTDR的原理及方案

i.Ф-OTDR的原理及方案

綜述分析了基于瑞利背向散射光強(qiáng)度解調(diào)的DVS-Ф-OTDR，及基于相位解調(diào)的DAS-Ф-OTDR系統(tǒng)傳感原理。

重點(diǎn)對(duì)比討論了外差探測(cè)IQ解調(diào)、外差探測(cè)希特波特變換方案、基于3x3耦合器的直接探測(cè)方法以及基于相位生成載波技術(shù)的直接探測(cè)方法等DAS相位解調(diào)技術(shù)。

圖1.采用不同解調(diào)方法的 DAS-Φ-OTDR 系統(tǒng)設(shè)置 ｜?圖源：Opto-Electronic Advances (2022)(Fig. 2)?

ii.Ф-OTDR系統(tǒng)的關(guān)鍵傳感參數(shù)

Ф-OTDR可以實(shí)現(xiàn)振動(dòng)、動(dòng)應(yīng)變等的分布式測(cè)量，通常可以通過幾個(gè)技術(shù)參數(shù)來評(píng)價(jià)，主要包括傳感距離、信噪比、頻率響應(yīng)范圍、空間分辨率和事件分辨能力。綜述詳細(xì)總結(jié)分析了近年來提升不同參數(shù)研究的最新進(jìn)展。

信噪比是決定OTDR性能的關(guān)鍵參數(shù)。它不僅決定了傳感器的傳感距離，還決定了傳感器的靈敏度和精度。一方面可以放大探頭的光功率和補(bǔ)償傳輸損耗，通過增大信號(hào)強(qiáng)度來提高信噪比。另一方面，也可以通過抑制噪聲來提高信噪比。

Φ-OTDR系統(tǒng)的空間分辨率是指能夠區(qū)分的不同事件之間的最短距離。它反映了遙感系統(tǒng)的空間識(shí)別和定位能力?？臻g分辨率與探頭脈寬、光電探測(cè)器的采樣率、采集卡等有關(guān)。

為了解決傳統(tǒng)的Φ-OTDR系統(tǒng)可以定位外部干擾，但無法區(qū)分不同類型的入侵事件的問題，近年來Φ-OTDR信號(hào)后處理的模式識(shí)別算法得到了廣泛的研究。模式識(shí)別算法可以根據(jù)振動(dòng)信號(hào)的信號(hào)特征，將檢測(cè)到的振動(dòng)信號(hào)自動(dòng)分類為感興趣的入侵和不希望的環(huán)境噪聲，從而大大提高了系統(tǒng)的報(bào)警準(zhǔn)確率，降低了系統(tǒng)的誤報(bào)率。

iii.基于聲光調(diào)制的相移脈沖產(chǎn)生

之前已報(bào)道的基于相位分集的Φ-OTDR系統(tǒng)中，探測(cè)脈沖的相位調(diào)制主要是通過在發(fā)射端增加一個(gè)額外的相位調(diào)制器來實(shí)現(xiàn)的，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。本工作提出了使用聲光調(diào)制器（AOM）同時(shí)進(jìn)行探測(cè)脈沖的強(qiáng)度調(diào)制和相移調(diào)制的方法，不再需要引入額外的硬件。

圖2-5(a)說明了AOM的基本工作原理。通過改變驅(qū)動(dòng)AOM的射頻信號(hào)的幅度，可以調(diào)制入射激光的光強(qiáng)；通過調(diào)制射頻信號(hào)的初始相位，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)入射激光的移相。基于這樣的方法，可以使用單個(gè)AOM同時(shí)實(shí)現(xiàn)探測(cè)脈沖的產(chǎn)生和相移。使用圖1(b)所示的干涉結(jié)構(gòu)驗(yàn)證上述思路。將如圖1（c）所示的兩組射頻雙脈沖信號(hào)加載到AOM上，這兩組雙脈沖的初始相位分別為（0,0）和（0,π）；對(duì)應(yīng)的兩組激光脈沖拍頻信號(hào)如圖1（d）所示，這兩組激光雙脈沖的初始相位之差同樣分別是0和π，證明了此方法的有效性。

圖2-5: (a)聲光調(diào)制器工作原理。(b)驗(yàn)證方法可行性的光路。(c)兩組射頻雙脈沖信號(hào)波形。(d)相應(yīng)的兩組激光雙脈沖拍頻信號(hào)波形 ｜ 圖源：Optics Express (2022)(Fig. 3)

iv.基于相移雙脈沖的Φ-OTDR相位解調(diào)原理

基于上述相移雙脈沖產(chǎn)生方法，相應(yīng)的瑞利散射自相干檢測(cè)信號(hào)應(yīng)表示為：

其中??對(duì)應(yīng)第??次發(fā)射的探測(cè)雙脈沖；???為單次測(cè)量中，前后兩個(gè)脈沖產(chǎn)生的瑞利散射信號(hào)之間因干涉而產(chǎn)生的差分相位，攜帶著傳感光纖沿可能存在的振動(dòng)信息；??為初始相位??；??是基于AOM調(diào)制引入的雙脈沖之間相移，且滿足??。因此，相鄰兩次測(cè)量信號(hào)之間存在??的相移量。受相移干涉成像技術(shù)啟發(fā)，本工作中相位解調(diào)公式表示為：

該解調(diào)方法計(jì)算過程簡單，且對(duì)系統(tǒng)隨機(jī)噪聲起到抑制作用，但對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍存在負(fù)面影響，詳見論文Discussion部分的討論。

實(shí)驗(yàn)中，采用了5.1km傳感光纖及16kHz脈沖重復(fù)頻率，脈沖寬度100納秒，雙脈沖的時(shí)間間隔100納秒。使用10MHz帶寬的PD進(jìn)行檢測(cè)，并以100MHz的采樣速率完成數(shù)據(jù)采集。在光纖約5km處，將一段長度為1米的光纖纏繞在壓電陶瓷管上，用于模擬外界振動(dòng)事件。首先加載了頻率為20Hz的正弦振動(dòng)信號(hào)，相應(yīng)的差分相位空域-頻域解調(diào)結(jié)果如圖2-6（b）所示，沿傳感光纖的差分相位頻譜20Hz分量幅值計(jì)算結(jié)果如圖2-6（c）所示，顯示了系統(tǒng)的振動(dòng)定位空間分辨率約為10米，與系統(tǒng)的100納秒雙脈沖間隔相呼應(yīng)。

圖2-6: (a)差分相位解調(diào)結(jié)果的空域-頻域圖。(b)差分相位信號(hào)頻譜的20Hz頻率分量沿光纖幅值分布情況 ｜ 圖源：Optics Express (2022)?(Fig. 5)

圖2-7展示了擾動(dòng)頻率分別為0.5Hz,1Hz，5Hz和20Hz時(shí)的差分相位解調(diào)結(jié)果及功率譜密度情況，證明了該方法可以較好地定量還原光纖沿線的擾動(dòng)波形。

圖2-7: 頻率分別為(a) 0.5 Hz， (b) 1 Hz， (c) 5 Hz和(d) 20 Hz的外部振動(dòng)的差分相位解調(diào)結(jié)果。(e)-(h)解調(diào)后的微分相位波形對(duì)應(yīng)的功率譜密度(PSD) ｜ 圖源：Optics Express (2022)?(Fig. 6)?

圖2-8是PZT驅(qū)動(dòng)電壓與所解調(diào)的差分相位幅值之間的線性擬合結(jié)果。四組實(shí)驗(yàn)的PZT驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率分別為0.5Hz（紅）,1Hz（藍(lán)），5Hz（橙）和20Hz（綠），且電壓峰峰值由1伏增加至10伏。四組實(shí)驗(yàn)的線性擬合結(jié)果R2值為0.9966、0.9987、0.9997和0.9995，且斜率基本保持一致（約為3 rad/V），證明了所提出方法對(duì)外界振動(dòng)的定量解調(diào)結(jié)果具有較好的線性響應(yīng)和可重復(fù)性。

圖2-8 PZT驅(qū)動(dòng)電壓與差分相位幅值之間的線性擬合結(jié)果 ｜ 圖源：Optics Express (2022)(Fig. 7)

03 應(yīng)用與展望

未來研究可以聚焦改進(jìn)Φ-OTDR的操作原理、改進(jìn)數(shù)據(jù)解釋方法和擴(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域。在工作原理上，開發(fā)uwFBG陣列、少模光纖、散射增強(qiáng)光纖或多芯光纖等特殊光纖，可能會(huì)進(jìn)一步提升Φ-OTDR的性能。在數(shù)據(jù)解釋方法方面可以參考人工智能和計(jì)算機(jī)科學(xué)中先進(jìn)的信號(hào)處理方法。在實(shí)際工程應(yīng)用中，有必要驗(yàn)證與實(shí)驗(yàn)條件有很大差異的解釋方法。

通過適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)配置，Φ-OTDR能夠在高空間分辨率(~m)下長距離(~km)測(cè)量振動(dòng)、應(yīng)變或溫度分布。這種能力使得Φ-OTDR在不同的場(chǎng)景下有著廣泛的應(yīng)用。該綜述回顧總結(jié)了Φ-OTDR在不同應(yīng)用領(lǐng)域的最新進(jìn)展，包括地質(zhì)勘探、周界監(jiān)測(cè)、交通傳感器、部分流量監(jiān)測(cè)和其他新穎的應(yīng)用。一些案例將傳統(tǒng)Φ-OTDR應(yīng)用于新的應(yīng)用場(chǎng)景，如檢測(cè)害蟲感染，而其他案例則引入特殊纖維或先進(jìn)的后處理算法，將目標(biāo)物理參數(shù)的測(cè)量轉(zhuǎn)化為振動(dòng)檢測(cè)，沿傳感光纖的應(yīng)變或溫度變化，如氣體濃度水平和光纖彎曲方向。

這些領(lǐng)域的拓展應(yīng)用程序已經(jīng)證明，Φ-OTDR系統(tǒng)是一個(gè)具有廣泛應(yīng)用前景的工具，對(duì)于各種行業(yè)性系統(tǒng)性全局性的應(yīng)用場(chǎng)景蘊(yùn)藏著巨大潛力。

目前，邵理陽團(tuán)隊(duì)在發(fā)起搭建「天地海一體化智能網(wǎng)聯(lián)創(chuàng)新研究平臺(tái)」，涵蓋通信、災(zāi)害預(yù)警、物探、環(huán)保、能源和軍事等多個(gè)領(lǐng)域，初步獲得南方科技大學(xué)、北京大學(xué)、深圳先進(jìn)技術(shù)研究院、香港理工大學(xué)、香港浸會(huì)大學(xué)、澳門科技大學(xué)、澳門大學(xué)、汕頭大學(xué)、中山大學(xué)、北京師范大學(xué)珠海分校、北師大浸會(huì)、鵬城實(shí)驗(yàn)室、南方海洋實(shí)驗(yàn)室等單位的多位院士和領(lǐng)導(dǎo)認(rèn)可，已經(jīng)取得了上光所、安光所、成光所、長光所、中科院光機(jī)所以及中廣核、中能建、華潤集團(tuán)、東方紅衛(wèi)星以及云洲智能大力支持協(xié)助，基于新一代AI驅(qū)動(dòng)DAS新技術(shù)的空天地一體化智能化實(shí)景化聽風(fēng)、聽地、聽海的蒼穹型全覆蓋感知系統(tǒng)已經(jīng)來臨！

個(gè)人簡介

邵理陽，博士，南方科技大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院副院長，電子與電氣工程系研究員，博士生導(dǎo)師。IEEE/OSA資深會(huì)員，SPIE終身會(huì)員，中國光學(xué)學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員、光學(xué)測(cè)試專委會(huì)/纖維與集成光學(xué)專委會(huì)委員，國家科技部重大儀器專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金委員會(huì)、廣東省科技廳、深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)等機(jī)構(gòu)的評(píng)審專家。獲2012澳大利亞教育部「奮進(jìn)學(xué)者獎(jiǎng)」，2014「四川省高層次引進(jìn)人才」，2015「國家特聘青年專家」，2016「詹天佑鐵道科技獎(jiǎng)青年獎(jiǎng)」，2017四川省「突出貢獻(xiàn)專家」， 2019「深圳市高層次引進(jìn)人才」，2020「中國產(chǎn)學(xué)研促進(jìn)獎(jiǎng)」。入選美國斯坦福大學(xué)發(fā)布「全球前2%頂尖科學(xué)家」榜單，包括2019 及 2020「終身科學(xué)影響力排行榜」和「年度科學(xué)影響力排行榜」。

主要研究方向有分布式光纖傳感技術(shù)及工程應(yīng)用，光纖激光器及其傳感應(yīng)用，微納光學(xué)及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用，智慧海洋綜合感知及系統(tǒng)裝備等。目前已在國際主要期刊及會(huì)議上發(fā)表學(xué)術(shù)論文共200余篇，其中SCI 論文142篇（第一作者及通訊作者論文71篇），包括Nat.Comm.Light Sci. Appl.Laser Photon. Rev.Adv. Electron. Mater.NanoscaleBiosen. and Bioelectron等8篇，總引/他引達(dá)5098/3500， H因子 39；應(yīng)邀撰寫綜述文章4篇，在IEEE ICCT, CLEO-PR, APOS等重要國際會(huì)議做主旨報(bào)告2次，特邀報(bào)告近20次，擔(dān)任國際會(huì)議TPC Chair/組委會(huì)成員20 余次; 授權(quán)發(fā)明專利10余項(xiàng)。

編輯：黃飛

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