一文解析Ф-OTDR的原理及关键传感参数

近日，由中国光学工程学会联合光电子产业博览会共同打造的光电领域系列公开课「云光课堂」重磅上线「科普之光」，该栏目首迎南方科技大学邵理阳教授直播分享《AI驱动的DAS技术真的能听风、听地、听海吗？》，该报告主要介绍了基于AI驱动的DAS技术原理，在听风/听地/听海等领域的实际应用案例，并就团队在分布式光纤振动传感领域取得的新成果、实现的新突破，进行了系列深度分享。DAS以其长距离、高空间分辨率、连续测量无盲区的独特优势，在地震预报检测、水声传感、周界安防预警等领域取得了突破性实际技术应用一揽子解决方案，对相关行业的发展提供了新技术应用的新高地新示范。

团队与南京大学合作共同对该技术的现状和发展概括性综述，以Advances in phase-sensitive optical time-domain reflectometry为题目发表在Opto-Electronic Advances期刊，该篇报道被编辑选为2022年第5卷第3期的封底文章（Back Cover Paper），被20多家国内外媒体转载报道，包括Physics.org，NyPost，MyDroll，AlphaGalileo，EurekAlert!，Pubcard，OEA，Hotpaper，CHNSci等国际知名网站，以及光电科技情报网，光纤传感focus，光电汇，纤维说，光电期刊，光电读书，南创中心，国际声学技术产业研究院等国内知名公众号，受到了海内外学术界技术界高度关注！

团队与澳门大学合作，提出基于瑞利散射自相干信号的直接探测与接收方案，实现分布式振动波形定量传感解调，成果以Quantitative demodulation of distributed low-frequency vibration based on phase-shifted dual-pulse phase-sensitive OTDR with direct detection为题目，发表在Optics Express期刊。

邵理阳研究员带领团队，与江苏省有关部门合作，编写了江苏省地方标准《水下隧道结构健康监测技术规程》（DB32/T 4243-2022）已经正式发布。该规程系统总结了江苏省水下隧道结构健康监测技术的实践应用经验，形成了适用于江苏省特殊环境的水下隧道结构健康监测相关技术要求，为在全国全行业水下隧道工程中进一步推广结构健康监测技术，奠定了技术性先行示范应用基础。

01 引言

自2005年首个基于相位敏感光时域反射技术（Ф-OTDR）的光纤分布式振动传感（DVS）系统问世以来，Ф-OTDR得到了快速的发展和广泛的应用，并进一步产生了具有定量分析声波振幅能力的分布式声波传感（DAS）技术。在此基础上，技术研究者们对提升Ф-OTDR系统传感性能的技术进行了大量的研究，包括传感距离、空间分辨率、频率响应范围、事件识别准确率等关键技术指标。基于其优越的长距离、高分辨率分布式振动/声波传感能力，Ф-OTDR技术近年来得到了广泛的工程应用。在地震监测、油气资源勘探、管道泄漏检测、周界入侵报警、电缆局部放电报警等领域，均有较成功的应用示范。

Φ-OTDR系统中，通过解调背向瑞利散射信号的相位信息，可以实现对振动事件波形的定量还原。目前主要的相位解调方法，包括引入本振光的外差/零差相干检测方法，以及不需要本振光的背向瑞利散射自相干检测方法。其中，前者由于本地振荡光的存在，信号强度大，且解调算法简单，但本振光和传感光纤远端返回的散射信号之间存在较大的时延，导致较严重的激光源相位噪声干扰，影响Φ-OTDR对低频振动的传感性能。而对于后者，主要实现方案有基于双脉冲探测的Φ-OTDR系统，以及在接收端结合非平衡干涉仪的瑞利散射自相干检测方案。在这两种方案中，干涉光之间的光程差是固定的（由双脉冲之间时间间隔，或非平衡干涉仪两臂之光程差决定），且远小于基于本振光的相干检测系统，因此可以将激光源噪声的影响大幅降低。但目前报道中，瑞利散射自相干信号的相位解调方法相对比较复杂，如phase-generated carrier, differential and cross multiply等方案。

未来，在攻克新型传感光缆、创新传感机制、高效数据解调算法、精准振动事件识别等关键技术的基础上，基于Ф-OTDR的光纤分布式声波传感技术将进一步发挥其应用潜力，有望在形状传感、地质勘探等领域取得新突破。

02 Ф-OTDR的原理及方案

i.Ф-OTDR的原理及方案

综述分析了基于瑞利背向散射光强度解调的DVS-Ф-OTDR，及基于相位解调的DAS-Ф-OTDR系统传感原理。

重点对比讨论了外差探测IQ解调、外差探测希特波特变换方案、基于3x3耦合器的直接探测方法以及基于相位生成载波技术的直接探测方法等DAS相位解调技术。

图1.采用不同解调方法的 DAS-Φ-OTDR 系统设置 ｜ 图源：Opto-Electronic Advances (2022)(Fig. 2) 

ii.Ф-OTDR系统的关键传感参数

Ф-OTDR可以实现振动、动应变等的分布式测量，通常可以通过几个技术参数来评价，主要包括传感距离、信噪比、频率响应范围、空间分辨率和事件分辨能力。综述详细总结分析了近年来提升不同参数研究的最新进展。

信噪比是决定OTDR性能的关键参数。它不仅决定了传感器的传感距离，还决定了传感器的灵敏度和精度。一方面可以放大探头的光功率和补偿传输损耗，通过增大信号强度来提高信噪比。另一方面，也可以通过抑制噪声来提高信噪比。

Φ-OTDR系统的空间分辨率是指能够区分的不同事件之间的最短距离。它反映了遥感系统的空间识别和定位能力。空间分辨率与探头脉宽、光电探测器的采样率、采集卡等有关。

为了解决传统的Φ-OTDR系统可以定位外部干扰，但无法区分不同类型的入侵事件的问题，近年来Φ-OTDR信号后处理的模式识别算法得到了广泛的研究。模式识别算法可以根据振动信号的信号特征，将检测到的振动信号自动分类为感兴趣的入侵和不希望的环境噪声，从而大大提高了系统的报警准确率，降低了系统的误报率。

iii.基于声光调制的相移脉冲产生

之前已报道的基于相位分集的Φ-OTDR系统中，探测脉冲的相位调制主要是通过在发射端增加一个额外的相位调制器来实现的，增加了系统的复杂度和成本。本工作提出了使用声光调制器（AOM）同时进行探测脉冲的强度调制和相移调制的方法，不再需要引入额外的硬件。

图2-5(a)说明了AOM的基本工作原理。通过改变驱动AOM的射频信号的幅度，可以调制入射激光的光强；通过调制射频信号的初始相位，可以实现对入射激光的移相。基于这样的方法，可以使用单个AOM同时实现探测脉冲的产生和相移。使用图1(b)所示的干涉结构验证上述思路。将如图1（c）所示的两组射频双脉冲信号加载到AOM上，这两组双脉冲的初始相位分别为（0,0）和（0,π）；对应的两组激光脉冲拍频信号如图1（d）所示，这两组激光双脉冲的初始相位之差同样分别是0和π，证明了此方法的有效性。

图2-5: (a)声光调制器工作原理。(b)验证方法可行性的光路。(c)两组射频双脉冲信号波形。(d)相应的两组激光双脉冲拍频信号波形 ｜ 图源：Optics Express (2022)(Fig. 3)

iv.基于相移双脉冲的Φ-OTDR相位解调原理

基于上述相移双脉冲产生方法，相应的瑞利散射自相干检测信号应表示为：

其中  对应第  次发射的探测双脉冲；   为单次测量中，前后两个脉冲产生的瑞利散射信号之间因干涉而产生的差分相位，携带着传感光纤沿可能存在的振动信息；  为初始相位  ；  是基于AOM调制引入的双脉冲之间相移，且满足  。因此，相邻两次测量信号之间存在  的相移量。受相移干涉成像技术启发，本工作中相位解调公式表示为：

该解调方法计算过程简单，且对系统随机噪声起到抑制作用，但对系统的动态响应范围存在负面影响，详见论文Discussion部分的讨论。

实验中，采用了5.1km传感光纤及16kHz脉冲重复频率，脉冲宽度100纳秒，双脉冲的时间间隔100纳秒。使用10MHz带宽的PD进行检测，并以100MHz的采样速率完成数据采集。在光纤约5km处，将一段长度为1米的光纤缠绕在压电陶瓷管上，用于模拟外界振动事件。首先加载了频率为20Hz的正弦振动信号，相应的差分相位空域-频域解调结果如图2-6（b）所示，沿传感光纤的差分相位频谱20Hz分量幅值计算结果如图2-6（c）所示，显示了系统的振动定位空间分辨率约为10米，与系统的100纳秒双脉冲间隔相呼应。

图2-6: (a)差分相位解调结果的空域-频域图。(b)差分相位信号频谱的20Hz频率分量沿光纤幅值分布情况 ｜ 图源：Optics Express (2022) (Fig. 5)

图2-7展示了扰动频率分别为0.5Hz,1Hz，5Hz和20Hz时的差分相位解调结果及功率谱密度情况，证明了该方法可以较好地定量还原光纤沿线的扰动波形。

图2-7: 频率分别为(a) 0.5 Hz， (b) 1 Hz， (c) 5 Hz和(d) 20 Hz的外部振动的差分相位解调结果。(e)-(h)解调后的微分相位波形对应的功率谱密度(PSD) ｜ 图源：Optics Express (2022) (Fig. 6) 

图2-8是PZT驱动电压与所解调的差分相位幅值之间的线性拟合结果。四组实验的PZT驱动信号频率分别为0.5Hz（红）,1Hz（蓝），5Hz（橙）和20Hz（绿），且电压峰峰值由1伏增加至10伏。四组实验的线性拟合结果R2值为0.9966、0.9987、0.9997和0.9995，且斜率基本保持一致（约为3 rad/V），证明了所提出方法对外界振动的定量解调结果具有较好的线性响应和可重复性。

图2-8 PZT驱动电压与差分相位幅值之间的线性拟合结果 ｜ 图源：Optics Express (2022)(Fig. 7)

03 应用与展望

未来研究可以聚焦改进Φ-OTDR的操作原理、改进数据解释方法和扩展其应用领域。在工作原理上，开发uwFBG阵列、少模光纤、散射增强光纤或多芯光纤等特殊光纤，可能会进一步提升Φ-OTDR的性能。在数据解释方法方面可以参考人工智能和计算机科学中先进的信号处理方法。在实际工程应用中，有必要验证与实验条件有很大差异的解释方法。

通过适当的光学配置，Φ-OTDR能够在高空间分辨率(~m)下长距离(~km)测量振动、应变或温度分布。这种能力使得Φ-OTDR在不同的场景下有着广泛的应用。该综述回顾总结了Φ-OTDR在不同应用领域的最新进展，包括地质勘探、周界监测、交通传感器、部分流量监测和其他新颖的应用。一些案例将传统Φ-OTDR应用于新的应用场景，如检测害虫感染，而其他案例则引入特殊纤维或先进的后处理算法，将目标物理参数的测量转化为振动检测，沿传感光纤的应变或温度变化，如气体浓度水平和光纤弯曲方向。

这些领域的拓展应用程序已经证明，Φ-OTDR系统是一个具有广泛应用前景的工具，对于各种行业性系统性全局性的应用场景蕴藏着巨大潜力。

目前，邵理阳团队在发起搭建「天地海一体化智能网联创新研究平台」，涵盖通信、灾害预警、物探、环保、能源和军事等多个领域，初步获得南方科技大学、北京大学、深圳先进技术研究院、香港理工大学、香港浸会大学、澳门科技大学、澳门大学、汕头大学、中山大学、北京师范大学珠海分校、北师大浸会、鹏城实验室、南方海洋实验室等单位的多位院士和领导认可，已经取得了上光所、安光所、成光所、长光所、中科院光机所以及中广核、中能建、华润集团、东方红卫星以及云洲智能大力支持协助，基于新一代AI驱动DAS新技术的空天地一体化智能化实景化听风、听地、听海的苍穹型全覆盖感知系统已经来临！

个人简介

邵理阳，博士，南方科技大学创新创业学院副院长，电子与电气工程系研究员，博士生导师。IEEE/OSA资深会员，SPIE终身会员，中国光学学会高级会员、光学测试专委会/纤维与集成光学专委会委员，国家科技部重大仪器专项、国家自然科学基金委员会、广东省科技厅、深圳市科技创新委员会等机构的评审专家。获2012澳大利亚教育部「奋进学者奖」，2014「四川省高层次引进人才」，2015「国家特聘青年专家」，2016「詹天佑铁道科技奖青年奖」，2017四川省「突出贡献专家」， 2019「深圳市高层次引进人才」，2020「中国产学研促进奖」。入选美国斯坦福大学发布「全球前2%顶尖科学家」榜单，包括2019 及 2020「终身科学影响力排行榜」和「年度科学影响力排行榜」。

主要研究方向有分布式光纤传感技术及工程应用，光纤激光器及其传感应用，微纳光学及其医学应用，智慧海洋综合感知及系统装备等。目前已在国际主要期刊及会议上发表学术论文共200余篇，其中SCI 论文142篇（第一作者及通讯作者论文71篇），包括Nat.Comm.Light Sci. Appl.Laser Photon. Rev.Adv. Electron. Mater.NanoscaleBiosen. and Bioelectron等8篇，总引/他引达5098/3500， H因子 39；应邀撰写综述文章4篇，在IEEE ICCT, CLEO-PR, APOS等重要国际会议做主旨报告2次，特邀报告近20次，担任国际会议TPC Chair/组委会成员20 余次; 授权发明专利10余项。

编辑：黄飞