撰稿 | 南京大學 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???導讀

隨著分布式光纖傳感技術（distributed optical fiber sensing, DOFS）的飛速發展，近些年來，其可靠性與有效性在越來越多的工程應用案例中得到了驗證，現已深入到大型結構健康監測、地質及能源勘探、周界安防、海洋地球物理等眾多領域。然而在實際監測場景中，事件發生的影響因素及擾動參量多元，而單一的分布式光纖傳感器監測參量有限，在應用中極容易出現誤判和漏判的情況。若攜帶多臺不同設備，往往需要接入多根光纖，更難以實現多種參量的同步監測，不僅成本高，且實施難度大。針對以上難題，南京大學智能光感知與調控技術教育部重點實驗室與南京大學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的研究，于近期提出了一種融合布里淵光時域反射儀（Brillouin optical time domain reflectometry, BOTDR）和相位敏感型光時域反射儀（phase sensitive optical time domain reflectometry, Φ-OTDR）這兩種傳感系統的方法。通過理論分析和綜合實驗的驗證，所搭建的融合系統不僅能夠實現多參量的同步測量，還保障了BOTDR和Ф-OTDR的傳感性能。通過最大化復用光電器件，融合系統的復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際工程應用。研究成果以 “Hybrid B-OTDR/Φ-OTDR for multi-parameter measurement from a single end of fiber”?為題發表在國際知名光學期刊Optics Express上，南京大學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

在實際工程應用中，事件發生的影響因素及擾動參量多元，而單一的分布式光纖傳感器監測參量有限，在應用中極容易出現誤判和漏判的情況。如在輸油管道監測中，泄漏事件將同時改變溫度和振動的狀態；而在輸電線路覆冰監測中，既有線路載荷引起的應變，同時還存在周邊風場作用發生舞動的情況，進而引起實時振動及應變波動。如若攜帶多臺不同設備進行監測，往往需要接入多根光纖，更難以實現多種參量的同步監測，不僅成本高，且實施難度大。近年來，融合不同類別的分布式光纖傳感系統得到了越來越多的研究。其中，BOTDR主要用于對溫度和應變的靜態測量，而Φ-OTDR可以監測實時振動及其所引起的動態應變。若能有效融合BOTDR和Φ-OTDR兩種傳感系統，將可以利用多參量、多維度監測和單端接入光纖的特性，實現對擾動事件的準確判別。 在近幾年對于融合型分布式光纖傳感系統的研究中，已經出現了多種方法來實現對布里淵散射信號和瑞利散射信號的提取，從而達到多參量監測的效果，但這些方案中往往還存在多參量無法同步監測、無法實現相位定量解調、系統結構復雜、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現BOTDR和Φ-OTDR兩種系統的融合，不僅能夠提取瑞利散射信號的相位信息，還同時避免了偏振衰落噪聲對BOTDR的影響，之后通過綜合實驗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果的影響，對傳感性能作了進一步優化。

?03???創新研究

3.1 雙外差探測結構

BOTDR和Φ-OTDR外差探測結構比較相似，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系統中，差頻通常是由聲光調制器所引入，一般約在幾十至幾百MHz。若簡單將BOTDR和Φ-OTDR的外差探測結構融合在一起，聲光調制器所引入的頻移將導致BOTDR的拍頻信號出現頻率上的錯位和混疊，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是聲光調制器引入的頻移，νB是布里淵頻移，R是探測器的響應度。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，此時將無法對其進行正確解調。

圖1??融合系統中BOTDR和Ф-OTDR的頻率成分組成 (a) 傳統結構,?(b) 雙外差探測結構

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獨有的拍頻信號光路，之后兩者分別獨立地發生拍頻，并被兩個獨立的光電探測器收集。經過這種處理后，瑞利散射和布里淵散射的拍頻信號就得到了有效分離，且互相不構成影響，分別可表達為以下形式：

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。經過獨立探測后，瑞利散射信號也能夠用更低帶寬的平衡探測器來收集，信噪比有了進一步的提高。 基于雙外差探測的BOTDR和Ф-OTDR融合系統結構如圖2所示，與傳統的BOTDR或Ф-OTDR系統不同的是，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不會影響到瑞利散射信號的偏振態；而移頻的聲光調制器（acousto-optic modulator, AOM）則是在Ф-OTDR的本振光一路，并不會造成布里淵散射信號的頻率交錯與混疊。同時待測光纖中產生的散射光也經由一個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 系統結構示意圖

圖源: Optics Express (2022)

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

3.2 多參量測量實驗

實驗采用總長49.9km的普通單模光纖，在光纖末端兩個位置分別施加振動和溫度變化，其中振動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長的光纖環放入水浴鍋中進行加熱。 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位置處升溫5℃到50℃對應的頻移變化，通過計算最末端350m長度數據的標準差，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際施加溫變間的關系，通過線性擬合得到了1.011MHz/℃的系數，與受測光纖實際參數相符，且線性度良好。

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

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來驗證本系統的傳感性能，當施加正弦振動的頻率為100Hz時，經過IQ解調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，其線性關系如圖4(b)所示，可見本系統對于振動測量的穩定性和重復性良好。

圖4 (a) 100Hz正弦振動下的相位解調曲線,?(b) 振動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)

為了更進一步驗證本系統對于振動的傳感性能，另一組實驗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頻率下的相位解調結果，可見不同頻率、不同模式的振動信號都得到了有效還原。

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

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化

由于本文所提出的雙外差探測方法需要對散射光進行分光，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，導致BOTDR和Ф-OTDR的信噪比下降。與此同時，由于BOTDR和Ф-OTDR各自的動態范圍不同，且依靠不同指標來評估其性能，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域信號曲線，且分別展示了不分光和分光70%下的結果，可見分光70%后的信噪比降低了1.58dB，這與理論值基本一致。而根據圖6(b)中的結果，實測的BGS半高全寬為48MHz，在3MHz頻率掃描間隔下，BFS測量不確定度將會增加0.145MHz。

圖6 (a) 中心頻率下的實測布里淵時域信號曲線,?(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，本文將通過解調信號的信噪比來評估Ф-OTDR的實際性能。圖7(a)是基于圖4(a)的結果所得到的功率譜密度圖，在瑞利散射光獲得30%分光的實驗條件下，解調信號的信噪比為40.24dB。為進一步驗證散射光分光比對Ф-OTDR性能的影響，實驗中實測了不同分光比下的解調信號信噪比，最終得到的結果如圖7(b)所示。從中可以發現，Ф-OTDR的解調信號信噪比在分光比大于30%時保持著較高水平，而BOTDR的BFS測量不確定度直到分光比小于50%時才會發生相對較大的惡化，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化的方案。

圖7 (a) 100Hz振動解調信號的功率譜密度圖,?(b)?分光比與Ф-OTDR解調信號信噪比以及BOTDR測量不確定度增量的關系

圖源: Optics Express (2022)

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

?04???應用與展望

本文提出了一種實現BOTDR和Ф-OTDR融合的全新方案，不僅能夠同時對多參量進行監測，還保障了Ф-OTDR相位定量解調功能，且有效抑制了BOTDR的偏振衰落噪聲。相比較于獨立的BOTDR或Ф-OTDR系統，本系統在復雜度上僅有微小的提升，最大程度實現了對光電器件的復用。與其他實現瑞利散射光和布里淵散射光分離的方法相比，本方案在穩定性上更具優勢，且通過對分光比的綜合分析進一步優化了傳感性能。本方案充分展現了其在工程實踐中的適用性和潛力，為多參量監測的工程化應用創造了條件，給出了一種低成本、高效、高穩定性的技術手段，也為不同分布式光纖傳感技術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/博士生導師

張旭蘋，南京大學現代工程與應用科學學院教授、博士生導師，南京大學光通信研究中心主任，江蘇省光通信系統與網絡工程研究中心主任，國務院政府特殊津貼專家，江蘇省“333高層次人才培養工程”首批中青年科技領軍人才，中國光電技術專業委員會副主任委員，國家光纖傳感標準分技術委員會委員，IEEE Nanjing Section Photonics Society Chapter主席。近年來主持了973課題、國家自然科學基金、863項目等來自國家、總裝、鐵道部、交通部、國家電網等各項基金資助16項，華為科技等企業委托科研項目20多項。已發表高水平論文近200篇，出版專著2部，15項科研成果通過部/省級鑒定，申請/獲得國家發明專利、國際發明專利和國防專利98項。作為主持人，曾經榮獲2015年吳文俊人工智能科學技術獎進步獎一等獎、2012年教育部技術發明一等獎、2006年教育部科技進步一等獎等十多項獎勵。

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王峰（論文通訊作者） 副教授/博士生導師

王峰，南京大學現代工程與應用科學學院副教授、博士生導師，南京大學光通信工程研究中心副主任，光學學會（OSA）高級會員，電氣電子工程師學會（IEEE）高級會員。主持和作為研究骨干參與多項國家、省部級項目。在國際主要期刊及會議上發表學術論文多篇，獲得了相關發明專利多項，獲1項教育部技術發明獎一等獎，1項江蘇省科學技術獎一等獎，第五屆“吳文俊人工智能科學技術進步獎”一等獎。研究方向主要為分布式光纖傳感技術、光纖光柵傳感技術及應用。

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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