01、導讀

基于相敏光時域反射儀（Φ-OTDR）的分布式光纖傳感技術已被廣泛應用于許多場景，例如周界安防、管道監控、交通監測、海洋感知、地質勘探等。外差探測Φ-OTDR結構簡單，能夠提取擾動的強度和相位信息。同時，由于本振光會與瑞利背向散射（RBS）光拍頻，因此外差探測結構有較高的信噪比。但是，傳統Φ-OTDR系統中一般都需要配備高性能數據采集卡（DAQ），而較高的采樣精度（例如14bits或16bits）意味著單個數據點的體積更大。在相同采樣率的情況下，DAQ卡采樣精度越高，每秒鐘產生的數據量越大。單位時間內龐大的傳感數據，給系統存儲介質的讀寫速度提出了不小的挑戰。另外，高性能DAQ卡也提高了系統成本。

近期，南方科技大學邵理陽團隊，在國際著名期刊Optics Letters與Sensors上分別發表了題為“Ultra-low sampling resolution technique for heterodyne phase-OTDR based distributed acoustic sensing”和“Data Reduction in Phase-Sensitive OTDR with Ultra-Low Sampling Resolution and Undersampling Techniques”的文章，南方科技大學博士研究生余飛宏為論文第一作者，邵理陽研究員為通訊作者。第一個工作探究了DAQ卡采樣精度對外差探測Φ-OTDR系統相位解調的影響。在實驗中，研究人員成功從1bit精度的原始數據中，恢復出了PZT施加的正弦擾動信號，且信噪比達到58.03dB，僅比16bits的數據低5dB。第二個工作將超低采樣精度技術與降采樣技術結合，展示了其在降低系統數據量方面的應用。實驗中，研究人員將系統每秒鐘產生的數據量，由476.84MB（250MSa/s， 16bits）減少到5.96MB（50MSa/s， 1bit），并成功從低采樣率、低精度數據中實現了擾動解調。上述工作證明了1bit精度原始數據相位解調的可行性，為工程應用中DAQ卡精度的選擇提供了參考。同時，第二個工作展示了一種新的數據存儲方案（即存儲低采樣率低精度的原始數據），這樣不僅可以大幅降低系統數據量，還可以在后期針對擾動識別的工作中，為特征的選擇提供更多的空間。在周界安防、管道監控等需長時間持續監測的應用場景中，這兩項工作有著重要的意義。

封面圖： 系統結構

02 、研究背景

DAQ卡對光電探測器輸出的連續信號進行采集，得到一系列離散的樣本點，以便后續使用計算機進行信號處理。DAQ卡有兩個重要參數，分別是采樣率與采樣精度。采樣率決定了DAQ卡每秒鐘采集樣本點的數量，而采樣精度決定了每個樣本點的精度。例如，一個250MSa/s、16bits的DAQ卡，表示它每秒鐘能采集250×106個樣本點，且每個樣本點使用16個比特來表示。

在傳統外差探測Φ-OTDR系統中，拍頻信號是一個帶通信號，其中心頻率由聲光調制器（AOM）引入的頻移量控制。假設拍頻信號中心頻率為80MHz，帶寬20MHz，按照奈奎斯特采樣定理，要無混疊地采集該信號，則至少需要180MSa/s的采樣率才能完成采樣。目前已有不少針對Φ-OTDR系統DAQ卡采樣率的研究，例如降采樣技術等，但針對DAQ卡采樣精度的研究，卻未見報道。基于此，研究人員探究了傳統外差探測Φ-OTDR系統中，DAQ卡采樣精度對相位解調結果的影響。

圖2： 不同采樣精度下數據占用的存儲空間圖示

03 、創新研究

在外差探測Φ-OTDR中，傳感光纖沿線的外部擾動信息是記錄在RBS信號相位中的。因此，只要RBS信號的相位能夠被采集數據準確記錄，就能解調出擾動信號。為了確保采集數據能夠正確記錄RBS信號相位，DAQ卡的采樣率應當大于等于拍頻信號上截止頻率的兩倍。在此前提下，使用超低的采樣精度會導致拍頻信號波形失真。盡管如此，由于采樣率足夠，從失真波形中仍然有望完成相位解調。實驗結果顯示，使用本文提出的方法，能從超低精度原始數據中恢復出拍頻信號波形，后續的相位解調工作也能順利進行。

為了對比不同精度數據對相位解調結果的影響，研究人員先用16bits采樣精度進行數據采集（采樣率為250MSa/s），然后在數字域上降低數據精度，以確保實驗數據的一致性。圖3展示了16bits，4bits，2bits，和1bit精度的拍頻信號波形，頻譜，恢復后波形，以及恢復波形與16bits信號波形的相關系數曲線。可以看到，對于精度低至1bit的拍頻信號，其頻譜中雖然背景噪聲有提高，但是其恢復出的信號波形與16bits信號波形的相關系數仍然超過96%。

圖3： 不同采樣精度下，（a） 時域波形對比；（b） 時域波形對應的PSD對比；（c） 恢復后的波形對比；（d） 恢復波形與16bits波形的相關系數曲線

圖4對比了16bits數據與1bit數據的相位解調結果。從圖4a-4c中可以看到，兩個數據均能實現良好的擾動定位與擾動波形分析。圖4f-4g展示了擾動信噪比及應變分辨率隨數據精度變化的曲線。這一曲線符合人們的直觀認知，即精度越高，相位解調得到的擾動信噪比及系統的應變分辨率更好。但是，當數據精度提高到5bits附近時，再提高數據精度對信噪比與應變分辨率的影響就變得非常微小。由此可知，使用常規8bits精度的DAQ卡已能完成外差探測Φ-OTDR系統的數據采集工作。

圖4： 16bits數據與1bit數據的相位解調結果對比。（a） 相位軌跡標準差；（b） 擾動時域波形；（c） 擾動對應的PSD；（d） 安靜位置處時域波形；（e） 安靜位置波形對應的PSD；（f） 不同采樣精度下擾動信噪比；（g） 應變分辨率隨不同采樣精度的變化曲線。

如上文所述，在采樣率足夠的情況下，超低精度的原始數據仍然可以恢復波形并完成相位解調。另一方面，降采樣技術允許系統使用更低的采樣率，完成帶通信號的采樣。該技術已有報導（Optics Letters ，2019， 44（4）：911），此處不再贅述。基于此，為了降低系統數據量，將超低采樣精度技術與降采樣技術結合，從每秒鐘樣本點數量與單個樣本點大小這兩個維度上同時降低Φ-OTDR系統原始數據量，是解決Φ-OTDR龐大數據體量問題的一個新的方案。

圖5展示了不同采樣率與采樣精度下，每秒鐘產生的數據量大小。從中可以直觀地看到，250MSa/s+16bits的普通采樣方案，與50MSa/s+1bit的降采樣+超低精度采樣方案，每秒鐘產生的數據量差距非常大。前者每秒鐘產生的數據量為476.84MB，而后者每秒鐘產生的數據量僅為其1/80，約5.96MB。

圖5： 不同采樣率與采樣精度下每秒鐘產生的數據量大小

圖6對比了常規采樣（250MSa/s+16bits），降采樣（50MSa/s+16bits），超低精度采樣（250MSa/s+1bit），以及降采樣+超低精度采樣（50MSa/s+1bit）這四種采樣方案的相位解調結果。從相位差分信號強度圖，安靜位置處相位波形及其PSD，擾動波形及其PSD中，可以看到降采樣+超低精度采樣方案在擾動定位、擾動波形恢復及其頻譜分析上均有良好的表現。在實際應用中，為了獲得與常規采樣數據更相近的信號質量，可以適當上調采樣精度（例如4bits），在數據量與相位解調信噪比之間尋找一個平衡點，以此解決超低采樣精度會導致信號噪聲水平提高的問題。

圖6： 四種采樣方案下的相位解調結果。（a） 相位差分結果；（b） 安靜位置相位時域波形，（c） 及其對應的PSD；（d） 擾動時域波形，（e） 及其對應的PSD。

04、應用與展望

上述工作探究了DAQ卡采樣精度對Φ-OTDR系統相位解調的影響，并介紹了超低采樣精度技術在降低Φ-OTDR系統數據量方面的應用。研究表明，從1bit精度的原始數據中能夠恢復拍頻信號波形并完成相位解調工作。超低采樣精度技術結合降采樣技術，則從單位時間樣本點數量與單個樣本點大小這兩個維度上同時降低系統數據量，減少了傳感系統對高性能DAQ卡的依賴，同時極大地緩解了存儲媒介的讀寫與存儲壓力，這對降低系統成本有著重要意義。

審核編輯：郭婷