撰稿 | 南京大學(xué) 博士生周霄（論文第一作者）& 張旭蘋?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，其可靠性與有效性在越來越多的工程應(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、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)測場景中，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，不僅成本高，且實(shí)施難度大。針對以上難題，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展了對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)多參量的同步測量，還保障了BOTDR和Ф-OTDR的傳感性能。通過最大化復(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)；而在輸電線路覆冰監(jiān)測中，既有線路載荷引起的應(yīng)變，同時(shí)還存在周邊風(fēng)場作用發(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)。如若攜帶多臺不同設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測，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，不僅成本高，且實(shí)施難度大。近年來，融合不同類別的分布式光纖傳感系統(tǒng)得到了越來越多的研究。其中，BOTDR主要用于對溫度和應(yīng)變的靜態(tài)測量，而Φ-OTDR可以監(jiān)測實(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)測和單端接入光纖的特性，實(shí)現(xiàn)對擾動(dòng)事件的準(zhǔn)確判別。 在近幾年對于融合型分布式光纖傳感系統(tǒng)的研究中，已經(jīng)出現(xiàn)了多種方法來實(shí)現(xiàn)對布里淵散射信號和瑞利散射信號的提取，從而達(dá)到多參量監(jiān)測的效果，但這些方案中往往還存在多參量無法同步監(jiān)測、無法實(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題。本文提出了一種雙外差探測的方法來實(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的相位信息，還同時(shí)避免了偏振衰落噪聲對BOTDR的影響，之后通過綜合實(shí)驗(yàn)證明了多參量同步測量的特性。本文還分析了散射光的不同分光比對測量結(jié)果的影響，對傳感性能作了進(jìn)一步優(yōu)化。

?03???創(chuàng)新研究

3.1 雙外差探測結(jié)構(gòu)

BOTDR和Φ-OTDR外差探測結(jié)構(gòu)比較相似，其中BOTDR的差頻來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。若簡單將BOTDR和Φ-OTDR的外差探測結(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的拍頻信號出現(xiàn)頻率上的錯(cuò)位和混疊，下式為探測器所收集到的信號（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是探測器的響應(yīng)度。由圖1(a)可見，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)將無法對其進(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) 雙外差探測結(jié)構(gòu)

圖源:?Optics Express??(2022)

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

針對這種情況，本文提出了一種雙外差探測的方法，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)立的光電探測器收集。經(jīng)過這種處理后，瑞利散射和布里淵散射的拍頻信號就得到了有效分離，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)過獨(dú)立探測后，瑞利散射信號也能夠用更低帶寬的平衡探測器來收集，信噪比有了進(jìn)一步的提高。 基于雙外差探測的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的偏振衰落噪聲的同時(shí)不會(huì)影響到瑞利散射信號的偏振態(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的頻率交錯(cuò)與混疊。同時(shí)待測光纖中產(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和瑞利散射信號分別被兩只平衡探測器（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 多參量測量實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用總長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長的裸纖，另一段20m長的光纖環(huán)放入水浴鍋中進(jìn)行加熱。 圖3(a)展示了不同溫度下測量得到的頻移-距離分布曲線，可以明顯觀察到熱點(diǎn)位置處升溫5℃到50℃對應(yīng)的頻移變化，通過計(jì)算最末端350m長度數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差，可以得到BOTDR的BFS測量不確定度為0.381MHz。圖3(b)中給出了測得頻移與實(shí)際施加溫變間的關(guān)系，通過線性擬合得到了1.011MHz/℃的系數(shù)，與受測光纖實(shí)際參數(shù)相符，且線性度良好。

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

圖源: Optics Express (2022)

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

之后通過在PZT上施加不同頻率和模式的振動(dòng)來驗(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IQ解調(diào)后可得到相位變化曲線，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，其線性關(guān)系如圖4(b)所示，可見本系統(tǒng)對于振動(dòng)測量的穩(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,?(b) 振動(dòng)幅度下與相位峰峰值的擬合曲線

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)對于振動(dòng)的傳感性能，另一組實(shí)驗(yàn)將采用三角波來替代正弦波，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，可見不同頻率、不同模式的振動(dòng)信號都得到了有效還原。

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

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方法需要對散射光進(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)來評估其性能，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）測量不確定度通常采用下式來表示：

其中，SNR(z)為z位置的中心頻率處所對應(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得的布里淵時(shí)域信號曲線，且分別展示了不分光和分光70%下的結(jié)果，可見分光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)測的BGS半高全寬為48MHz，在3MHz頻率掃描間隔下，BFS測量不確定度將會(huì)增加0.145MHz。

圖6 (a) 中心頻率下的實(shí)測布里淵時(shí)域信號曲線,?(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，本文將通過解調(diào)信號的信噪比來評估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)信號的信噪比為40.24dB。為進(jìn)一步驗(yàn)證散射光分光比對Ф-OTDR性能的影響，實(shí)驗(yàn)中實(shí)測了不同分光比下的解調(diào)信號信噪比，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)信號信噪比在分光比大于30%時(shí)保持著較高水平，而BOTDR的BFS測量不確定度直到分光比小于50%時(shí)才會(huì)發(fā)生相對較大的惡化，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)信號的功率譜密度圖,?(b)?分光比與Ф-OTDR解調(diào)信號信噪比以及BOTDR測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)對多參量進(jìn)行監(jiān)測，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，且通過對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???作者簡介

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張旭蘋（論文通訊作者） 教授/博士生導(dǎo)師

張旭蘋，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，國務(wù)院政府特殊津貼專家，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，中國光電技術(shù)專業(yè)委員會(huì)副主任委員，國家光纖傳感標(biāo)準(zhǔn)分技術(shù)委員會(huì)委員，IEEE Nanjing Section Photonics Society Chapter主席。近年來主持了973課題、國家自然科學(xué)基金、863項(xiàng)目等來自國家、總裝、鐵道部、交通部、國家電網(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，出版專著2部，15項(xiàng)科研成果通過部/省級鑒定，申請/獲得國家發(fā)明專利、國際發(fā)明專利和國防專利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）高級會(huì)員，電氣電子工程師學(xué)會(huì)（IEEE）高級會(huì)員。主持和作為研究骨干參與多項(xiàng)國家、省部級項(xiàng)目。在國際主要期刊及會(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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