撰稿 | 南京大學(xué) 博士生周霄（論文第一作者）& 張旭蘋(píng)?教授、王峰?副教授（論文通訊作者）

?01???導(dǎo)讀

隨著分布式光纖傳感技術(shù)（distributed optical fiber sensing, DOFS）的飛速發(fā)展，近些年來(lái)，其可靠性與有效性在越來(lái)越多的工程應(yīng)用案例中得到了驗(yàn)證，現(xiàn)已深入到大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、地質(zhì)及能源勘探、周界安防、海洋地球物理等眾多領(lǐng)域。然而在實(shí)際監(jiān)測(cè)場(chǎng)景中，事件發(fā)生的影響因素及擾動(dòng)參量多元，而單一的分布式光纖傳感器監(jiān)測(cè)參量有限，在應(yīng)用中極容易出現(xiàn)誤判和漏判的情況。若攜帶多臺(tái)不同設(shè)備，往往需要接入多根光纖，更難以實(shí)現(xiàn)多種參量的同步監(jiān)測(cè)，不僅成本高，且實(shí)施難度大。針對(duì)以上難題，南京大學(xué)智能光感知與調(diào)控技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與南京大學(xué)深圳研究院等合作單位開(kāi)展了對(duì)于融合型分布式光纖傳感系統(tǒng)的研究，于近期提出了一種融合布里淵光時(shí)域反射儀（Brillouin optical time domain reflectometry, BOTDR）和相位敏感型光時(shí)域反射儀（phase sensitive optical time domain reflectometry, Φ-OTDR）這兩種傳感系統(tǒng)的方法。通過(guò)理論分析和綜合實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，所搭建的融合系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)多參量的同步測(cè)量，還保障了BOTDR和Ф-OTDR的傳感性能。通過(guò)最大化復(fù)用光電器件，融合系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本并沒(méi)有明顯提升，且單端接入光纖的特性也有利于實(shí)際工程應(yīng)用。研究成果以 “Hybrid B-OTDR/Φ-OTDR for multi-parameter measurement from a single end of fiber”?為題發(fā)表在國(guó)際知名光學(xué)期刊Optics Express上，南京大學(xué)博士研究生周霄為論文的第一作者，張旭蘋(píng)教授與王峰副教授為論文的通訊作者。

?02??研究背景

在實(shí)際工程應(yīng)用中，事件發(fā)生的影響因素及擾動(dòng)參量多元，而單一的分布式光纖傳感器監(jiān)測(cè)參量有限，在應(yīng)用中極容易出現(xiàn)誤判和漏判的情況。如在輸油管道監(jiān)測(cè)中，泄漏事件將同時(shí)改變溫度和振動(dòng)的狀態(tài)；而在輸電線(xiàn)路覆冰監(jiān)測(cè)中，既有線(xiàn)路載荷引起的應(yīng)變，同時(shí)還存在周邊風(fēng)場(chǎng)作用發(fā)生舞動(dòng)的情況，進(jìn)而引起實(shí)時(shí)振動(dòng)及應(yīng)變波動(dòng)。如若攜帶多臺(tái)不同設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)，往往需要接入多根光纖，更難以實(shí)現(xiàn)多種參量的同步監(jiān)測(cè)，不僅成本高，且實(shí)施難度大。近年來(lái)，融合不同類(lèi)別的分布式光纖傳感系統(tǒng)得到了越來(lái)越多的研究。其中，BOTDR主要用于對(duì)溫度和應(yīng)變的靜態(tài)測(cè)量，而Φ-OTDR可以監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)振動(dòng)及其所引起的動(dòng)態(tài)應(yīng)變。若能有效融合BOTDR和Φ-OTDR兩種傳感系統(tǒng)，將可以利用多參量、多維度監(jiān)測(cè)和單端接入光纖的特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)擾動(dòng)事件的準(zhǔn)確判別。 在近幾年對(duì)于融合型分布式光纖傳感系統(tǒng)的研究中，已經(jīng)出現(xiàn)了多種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)布里淵散射信號(hào)和瑞利散射信號(hào)的提取，從而達(dá)到多參量監(jiān)測(cè)的效果，但這些方案中往往還存在多參量無(wú)法同步監(jiān)測(cè)、無(wú)法實(shí)現(xiàn)相位定量解調(diào)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、需要光纖雙端接入等問(wèn)題。本文提出了一種雙外差探測(cè)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)BOTDR和Φ-OTDR兩種系統(tǒng)的融合，不僅能夠提取瑞利散射信號(hào)的相位信息，還同時(shí)避免了偏振衰落噪聲對(duì)BOTDR的影響，之后通過(guò)綜合實(shí)驗(yàn)證明了多參量同步測(cè)量的特性。本文還分析了散射光的不同分光比對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，對(duì)傳感性能作了進(jìn)一步優(yōu)化。

?03???創(chuàng)新研究

3.1 雙外差探測(cè)結(jié)構(gòu)

BOTDR和Φ-OTDR外差探測(cè)結(jié)構(gòu)比較相似，其中BOTDR的差頻來(lái)自布里淵散射斯托克斯光和反斯托克斯光自身的布里淵頻移（Brillouin frequency shift, BFS），一般約在10.8GHz左右；而在Φ-OTDR系統(tǒng)中，差頻通常是由聲光調(diào)制器所引入，一般約在幾十至幾百M(fèi)Hz。若簡(jiǎn)單將BOTDR和Φ-OTDR的外差探測(cè)結(jié)構(gòu)融合在一起，聲光調(diào)制器所引入的頻移將導(dǎo)致BOTDR的拍頻信號(hào)出現(xiàn)頻率上的錯(cuò)位和混疊，下式為探測(cè)器所收集到的信號(hào)（濾除直流分量）：

其中，PR(t)、PB(t)和PLO分別是瑞利散射光、自發(fā)布里淵散射光和本振光的功率，φR(t)，φB1(t)和φB2(t)分別是瑞利散射光、布里淵斯托克斯光、反斯托克斯光與本振光的相位差，νR是聲光調(diào)制器引入的頻移，νB是布里淵頻移，R是探測(cè)器的響應(yīng)度。由圖1(a)可見(jiàn)，布里淵斯托克斯光、反斯托克斯光與本振光的拍頻并不相同，分別為νB?+ νR和νB?– νR，此時(shí)將無(wú)法對(duì)其進(jìn)行正確解調(diào)。

圖1??融合系統(tǒng)中BOTDR和Ф-OTDR的頻率成分組成 (a) 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu),?(b) 雙外差探測(cè)結(jié)構(gòu)

圖源:?Optics Express??(2022)

https://doi.org/10.1364/OE.463127 (Fig. 2)

針對(duì)這種情況，本文提出了一種雙外差探測(cè)的方法，如圖1(b)所示，即同時(shí)將散射光和本振光用耦合器分成兩路，分別作為BOTDR和Ф-OTDR獨(dú)有的拍頻信號(hào)光路，之后兩者分別獨(dú)立地發(fā)生拍頻，并被兩個(gè)獨(dú)立的光電探測(cè)器收集。經(jīng)過(guò)這種處理后，瑞利散射和布里淵散射的拍頻信號(hào)就得到了有效分離，且互相不構(gòu)成影響，分別可表達(dá)為以下形式：

其中，PS(t)和PAS(t)分別是布里淵斯托克斯光和反斯托克斯光的功率。經(jīng)過(guò)獨(dú)立探測(cè)后，瑞利散射信號(hào)也能夠用更低帶寬的平衡探測(cè)器來(lái)收集，信噪比有了進(jìn)一步的提高。 基于雙外差探測(cè)的BOTDR和Ф-OTDR融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，與傳統(tǒng)的BOTDR或Ф-OTDR系統(tǒng)不同的是，下路的本振光通過(guò)耦合器再次分成兩路，分別作為BOTDR和Ф-OTDR的本振光，其中，BOTDR的本振光一路加入了擾偏器（polarization scrambler, PS），在抑制布里淵散射信號(hào)的偏振衰落噪聲的同時(shí)不會(huì)影響到瑞利散射信號(hào)的偏振態(tài)；而移頻的聲光調(diào)制器（acousto-optic modulator, AOM）則是在Ф-OTDR的本振光一路，并不會(huì)造成布里淵散射信號(hào)的頻率交錯(cuò)與混疊。同時(shí)待測(cè)光纖中產(chǎn)生的散射光也經(jīng)由一個(gè)70:30耦合器分光，再分別與兩路本振光拍頻，輸出的布里淵散射信號(hào)和瑞利散射信號(hào)分別被兩只平衡探測(cè)器（balanced photodetector, BPD）接收。

?圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖源: Optics Express (2022)

https://doi.org/10.1364/OE.463127 (Fig. 3)

3.2 多參量測(cè)量實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用總長(zhǎng)49.9km的普通單模光纖，在光纖末端兩個(gè)位置分別施加振動(dòng)和溫度變化，其中振動(dòng)事件加載于壓電陶瓷（piezoelectric transducer, PZT）上，其上纏有10m長(zhǎng)的裸纖，另一段20m長(zhǎng)的光纖環(huán)放入水浴鍋中進(jìn)行加熱。 圖3(a)展示了不同溫度下測(cè)量得到的頻移-距離分布曲線(xiàn)，可以明顯觀察到熱點(diǎn)位置處升溫5℃到50℃對(duì)應(yīng)的頻移變化，通過(guò)計(jì)算最末端350m長(zhǎng)度數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差，可以得到BOTDR的BFS測(cè)量不確定度為0.381MHz。圖3(b)中給出了測(cè)得頻移與實(shí)際施加溫變間的關(guān)系，通過(guò)線(xiàn)性擬合得到了1.011MHz/℃的系數(shù)，與受測(cè)光纖實(shí)際參數(shù)相符，且線(xiàn)性度良好。

圖3 (a) 熱點(diǎn)位置的頻移分布曲線(xiàn),?(b) 測(cè)得頻移與實(shí)際溫變的擬合曲線(xiàn)

圖源: Optics Express (2022)

https://doi.org/10.1364/OE.463127 (Fig. 6)

之后通過(guò)在PZT上施加不同頻率和模式的振動(dòng)來(lái)驗(yàn)證本系統(tǒng)的傳感性能，當(dāng)施加正弦振動(dòng)的頻率為100Hz時(shí)，經(jīng)過(guò)IQ解調(diào)后可得到相位變化曲線(xiàn)，如圖4(a)所示。保持頻率不變，將施加振動(dòng)的幅度從200mV到3V依次增加，相位變化的峰峰值也隨之改變，其線(xiàn)性關(guān)系如圖4(b)所示，可見(jiàn)本系統(tǒng)對(duì)于振動(dòng)測(cè)量的穩(wěn)定性和重復(fù)性良好。

圖4 (a) 100Hz正弦振動(dòng)下的相位解調(diào)曲線(xiàn),?(b) 振動(dòng)幅度下與相位峰峰值的擬合曲線(xiàn)

圖源: Optics Express (2022)

https://doi.org/10.1364/OE.463127 (Fig. 7)

為了更進(jìn)一步驗(yàn)證本系統(tǒng)對(duì)于振動(dòng)的傳感性能，另一組實(shí)驗(yàn)將采用三角波來(lái)替代正弦波，圖5(a)和圖5(b)分別給出了100Hz和800Hz頻率下的相位解調(diào)結(jié)果，可見(jiàn)不同頻率、不同模式的振動(dòng)信號(hào)都得到了有效還原。

圖5 (a) 100Hz三角波的相位解調(diào)曲線(xiàn),?(b) 800Hz三角波的相位解調(diào)曲線(xiàn)

圖源: Optics Express (2022)

https://doi.org/10.1364/OE.463127 (Fig. 8)

3.3 散射光分光比的分析與優(yōu)化

由于本文所提出的雙外差探測(cè)方法需要對(duì)散射光進(jìn)行分光，這將使瑞利散射光和布里淵散射光分別有一定的功率損耗，導(dǎo)致BOTDR和Ф-OTDR的信噪比下降。與此同時(shí)，由于BOTDR和Ф-OTDR各自的動(dòng)態(tài)范圍不同，且依靠不同指標(biāo)來(lái)評(píng)估其性能，因此有必要分析不同散射光分光比下BOTDR和Ф-OTDR的傳感性能。BOTDR的布里淵頻移（Brillouin frequency shift, BFS）測(cè)量不確定度通常采用下式來(lái)表示：

其中，SNR(z)為z位置的中心頻率處所對(duì)應(yīng)的信噪比，δ為頻率掃描間隔，ΔνB是布里淵增益譜（Brillouin gain spectrum, BGS）的半高全寬。 圖6(a)給出了在中心頻率處測(cè)得的布里淵時(shí)域信號(hào)曲線(xiàn)，且分別展示了不分光和分光70%下的結(jié)果，可見(jiàn)分光70%后的信噪比降低了1.58dB，這與理論值基本一致。而根據(jù)圖6(b)中的結(jié)果，實(shí)測(cè)的BGS半高全寬為48MHz，在3MHz頻率掃描間隔下，BFS測(cè)量不確定度將會(huì)增加0.145MHz。

圖6 (a) 中心頻率下的實(shí)測(cè)布里淵時(shí)域信號(hào)曲線(xiàn),?(b)?末端光纖位置處的布里淵增益譜

圖源: Optics Express (2022)

https://doi.org/10.1364/OE.463127 (Fig. 9)

另一方面，本文將通過(guò)解調(diào)信號(hào)的信噪比來(lái)評(píng)估Ф-OTDR的實(shí)際性能。圖7(a)是基于圖4(a)的結(jié)果所得到的功率譜密度圖，在瑞利散射光獲得30%分光的實(shí)驗(yàn)條件下，解調(diào)信號(hào)的信噪比為40.24dB。為進(jìn)一步驗(yàn)證散射光分光比對(duì)Ф-OTDR性能的影響，實(shí)驗(yàn)中實(shí)測(cè)了不同分光比下的解調(diào)信號(hào)信噪比，最終得到的結(jié)果如圖7(b)所示。從中可以發(fā)現(xiàn)，Ф-OTDR的解調(diào)信號(hào)信噪比在分光比大于30%時(shí)保持著較高水平，而B(niǎo)OTDR的BFS測(cè)量不確定度直到分光比小于50%時(shí)才會(huì)發(fā)生相對(duì)較大的惡化，由以上分析可知，采用70%的布里淵散射光分光比和30%的瑞利散射光分光比是最優(yōu)化的方案。

圖7 (a) 100Hz振動(dòng)解調(diào)信號(hào)的功率譜密度圖,?(b)?分光比與Ф-OTDR解調(diào)信號(hào)信噪比以及BOTDR測(cè)量不確定度增量的關(guān)系

圖源: Optics Express (2022)

https://doi.org/10.1364/OE.463127 (Fig. 10)

?04???應(yīng)用與展望

本文提出了一種實(shí)現(xiàn)BOTDR和Ф-OTDR融合的全新方案，不僅能夠同時(shí)對(duì)多參量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，還保障了Ф-OTDR相位定量解調(diào)功能，且有效抑制了BOTDR的偏振衰落噪聲。相比較于獨(dú)立的BOTDR或Ф-OTDR系統(tǒng)，本系統(tǒng)在復(fù)雜度上僅有微小的提升，最大程度實(shí)現(xiàn)了對(duì)光電器件的復(fù)用。與其他實(shí)現(xiàn)瑞利散射光和布里淵散射光分離的方法相比，本方案在穩(wěn)定性上更具優(yōu)勢(shì)，且通過(guò)對(duì)分光比的綜合分析進(jìn)一步優(yōu)化了傳感性能。本方案充分展現(xiàn)了其在工程實(shí)踐中的適用性和潛力，為多參量監(jiān)測(cè)的工程化應(yīng)用創(chuàng)造了條件，給出了一種低成本、高效、高穩(wěn)定性的技術(shù)手段，也為不同分布式光纖傳感技術(shù)的融合提供了新的思路。

?05???作者簡(jiǎn)介

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張旭蘋(píng)（論文通訊作者） 教授/博士生導(dǎo)師

張旭蘋(píng)，南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，南京大學(xué)光通信研究中心主任，江蘇省光通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)工程研究中心主任，國(guó)務(wù)院政府特殊津貼專(zhuān)家，江蘇省“333高層次人才培養(yǎng)工程”首批中青年科技領(lǐng)軍人才，中國(guó)光電技術(shù)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)副主任委員，國(guó)家光纖傳感標(biāo)準(zhǔn)分技術(shù)委員會(huì)委員，IEEE Nanjing Section Photonics Society Chapter主席。近年來(lái)主持了973課題、國(guó)家自然科學(xué)基金、863項(xiàng)目等來(lái)自國(guó)家、總裝、鐵道部、交通部、國(guó)家電網(wǎng)等各項(xiàng)基金資助16項(xiàng)，華為科技等企業(yè)委托科研項(xiàng)目20多項(xiàng)。已發(fā)表高水平論文近200篇，出版專(zhuān)著2部，15項(xiàng)科研成果通過(guò)部/省級(jí)鑒定，申請(qǐng)/獲得國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利、國(guó)際發(fā)明專(zhuān)利和國(guó)防專(zhuān)利98項(xiàng)。作為主持人，曾經(jīng)榮獲2015年吳文俊人工智能科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、2012年教育部技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)、2006年教育部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)等十多項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)。

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王峰（論文通訊作者） 副教授/博士生導(dǎo)師

王峰，南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院副教授、博士生導(dǎo)師，南京大學(xué)光通信工程研究中心副主任，光學(xué)學(xué)會(huì)（OSA）高級(jí)會(huì)員，電氣電子工程師學(xué)會(huì)（IEEE）高級(jí)會(huì)員。主持和作為研究骨干參與多項(xiàng)國(guó)家、省部級(jí)項(xiàng)目。在國(guó)際主要期刊及會(huì)議上發(fā)表學(xué)術(shù)論文多篇，獲得了相關(guān)發(fā)明專(zhuān)利多項(xiàng)，獲1項(xiàng)教育部技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，1項(xiàng)江蘇省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，第五屆“吳文俊人工智能科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)”一等獎(jiǎng)。研究方向主要為分布式光纖傳感技術(shù)、光纖光柵傳感技術(shù)及應(yīng)用。

文章信息：

Xiao Zhou, Feng Wang *, Zhen Liu, Yanqing Lu, Chengyu Yang, Yixin Zhang, Liyang Shao, and Xuping Zhang *，”Hybrid B-OTDR/Φ-OTDR for multi-parameter measurement from a single end of fiber,” Optics Express, 30(16), 29117-29127 (2022).

論文地址：

https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-30-16-29117&id=481505

https://doi.org/10.1364/OE.463127

編輯：黃飛

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