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3月22日，在上海市科學(xué)技術(shù)獎勵大會(huì )上，中科院上海光機所的分布式光纖振動(dòng)傳感技術(shù)及其重要安防應用項目榮獲2016年上海市技術(shù)發(fā)明獎一等獎。相關(guān)綜述論文將發(fā)表于《中國激光》2017年第6期。
作者
葉青 | 蔡海文
隨著(zhù)當今國際社會(huì )不穩定因素的不斷上升，世界各國對國家核心要害部門(mén)和重大基礎設施的安全越來(lái)越重視，對相關(guān)安全監測技術(shù)的要求也越來(lái)越高。分布式光纖振動(dòng)傳感技術(shù)，能夠對光纖沿線(xiàn)外界擾動(dòng)進(jìn)行分布式感知，就像人的感知神經(jīng)系統一樣可以全方位連續監測，在事件精確定位、隱蔽性、環(huán)境適應性等方面具有不可替代的優(yōu)勢，在重要核心設施和區域安全監測中應用成效顯著(zhù)。
基于相位敏感光時(shí)域反射計（Φ-OTDR）的分布式光纖振動(dòng)傳感技術(shù)，對沿光纖鏈路的擾動(dòng)入侵可以進(jìn)行遠程探測和實(shí)時(shí)監控，克服了常規點(diǎn)式光纖傳感器難以對被測對象進(jìn)行全方位連續監測的缺陷，是近年來(lái)國內外重點(diǎn)發(fā)展的戰略性新興產(chǎn)業(yè)。
分布式光纖振動(dòng)傳感的技術(shù)原理
Φ-OTDR分布式光纖振動(dòng)傳感技術(shù)基本系統原理圖
通常采用線(xiàn)寬為千赫量級的單頻低噪聲激光光源，輸出的激光分成兩部分，一部分為傳感光，一部分為參考光。通過(guò)相干探測的機制實(shí)現外界微小擾動(dòng)信號的感知。
分布式光纖振動(dòng)傳感技術(shù)主要是采用窄線(xiàn)寬單頻激光作為探針光源，通過(guò)檢測和相干解調光纖中后向瑞利散射信號來(lái)實(shí)現對外界微小擾動(dòng)信息的提取和識別。由于采用了相干接收，大大提高了系統探測靈敏度，延長(cháng)了工作距離，縮短了信號獲取時(shí)間。
這種探測機制可以避免普通光時(shí)域反射計（OTDR）信號處理采用的多次平均，允許利用每次掃描取得的數據，這就使分布式傳感器具備更強的動(dòng)態(tài)信息傳感能力。通過(guò)對不同回波時(shí)間相位信息做移動(dòng)差分，就可以獲得相應位置光波傳輸相位的空間（光纖軸向）變化信息。通過(guò)對重復掃描的相位數據做時(shí)間差分，就可以獲得相應位置的振動(dòng)信息，從而實(shí)現對外界擾動(dòng)信號的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)感知。
分布式光纖振動(dòng)傳感的關(guān)鍵技術(shù)
基于相位解調分布式光纖振動(dòng)傳感的關(guān)鍵技術(shù)主要分成兩部分：低噪聲單頻激光器技術(shù)和信號相干解調技術(shù)。
低噪聲單頻激光器技術(shù)
低噪聲、高穩定度超窄線(xiàn)寬單頻光纖激光器由于具有極窄光譜線(xiàn)寬(千赫量級)、超低頻率噪聲和強度噪聲、良好的相干特性(相干長(cháng)度達到幾十公里甚至上百公里)，在遠距離分布式光纖傳感、相干激光雷達、光纖水聽(tīng)器、引力波探測、相干激光通信等高精度的激光相干探測領(lǐng)域有著(zhù)非常廣泛的應用前景。
當前，結構緊湊的短腔單頻光纖激光器[分布式反饋（DFB）或者分布式布拉格反射（DBR）結構]，由于其可實(shí)現穩定的單縱模輸出，已經(jīng)在分布式傳感等相干探測領(lǐng)域獲得了很好的應用和市場(chǎng)反饋。在這個(gè)研究領(lǐng)域，筆者課題組在約2cm鉺鐿共摻增益光纖刻蝕π相移光柵制作DFB光纖激光器，在通過(guò)層浸封裝技術(shù)隔震和低噪聲泵源抽運下，實(shí)現了穩定的千赫線(xiàn)寬、毫瓦量級的保偏激光輸出。
同時(shí)，為了提高應用的范圍，進(jìn)一步優(yōu)化了DFB激光器的相關(guān)性能，如通過(guò)高階邊帶注入鎖定技術(shù)的加入，在保證DFB光纖激光器單頻特性的基礎上，大幅度提高了它的調諧范圍[1]。通過(guò)將半導體光放大器引入激光諧振腔內，成功將激光器的強度噪聲抑制了35分貝，削除了弛豫振蕩峰[2]。
信號相干解調技術(shù)
(a) 相位調制雙脈沖Φ-OTDR原理結構圖；(b) 壓電陶瓷（PZT）擾動(dòng)實(shí)驗的相位差曲線(xiàn)；(c)定量相位相干解調的擾動(dòng)時(shí)間序列。
信號相干解調技術(shù)
分布式光纖振動(dòng)傳感最早采用后向瑞利散射信號直接探測方式，這種探測方式可以定性判斷擾動(dòng)信號的有無(wú)，卻無(wú)法獲取擾動(dòng)信息的波形。此外，直接探測系統的傳輸距離較短，信噪比較低。為了增加傳感距離和探測的靈敏度，當前分布式光纖傳感技術(shù)主要是采用相干探測機制為主。
筆者課題組于2011年就開(kāi)展了基于相干探測的數字相位解調的分布式光纖傳感技術(shù)的研究[3]。在研究中，通過(guò)壓電陶瓷對傳感光纖600米處加載200赫擾動(dòng)，從解調獲得的幅度—時(shí)間和相位—時(shí)間曲線(xiàn)中可以看到，幅度信息可以大致反映擾動(dòng)的波動(dòng)情況，但是由于幅度與擾動(dòng)的非單調性導致信號失真；相位信息能夠更好地重建擾動(dòng)信號，實(shí)現相位定量化測量，大大地推進(jìn)了分布式光纖傳感技術(shù)的實(shí)用化。
在分布式光纖振動(dòng)傳感信號相干解調技術(shù)中，容易受到兩種衰落機制的影響，即干涉衰落和偏振衰落。干涉衰落是由脈沖內干涉引起的，當出現干涉相消時(shí)，光強變弱，對應位置的靈敏度變差，相位信息也無(wú)法進(jìn)行解調，影響傳感系統的性能。偏振衰落則是源于傳感光纖內光波偏振態(tài)的隨機緩慢變化和后向瑞利散射光的偏振變化，導致拍頻信號幅度變弱，靈敏度變差。 近年來(lái)，課題組提出了利用相位調制雙脈沖來(lái)解決干涉衰落的問(wèn)題[3,4]。通過(guò)對脈沖對的0—π相位調制，改變沿線(xiàn)的衰落情況，并對其綜合判別，實(shí)現擾動(dòng)信息的無(wú)衰落重建，信噪比大于20分貝。隨后，又提出了基于多頻率光源的干涉衰落解決方法，并對系統的瑞利散射機理和干涉衰落特性進(jìn)行了理論分析及仿真驗證[5]。對于偏振衰落，華雷斯（J. C. Juarez）等人提出了分偏振接收的方案實(shí)現偏振衰落的消除[6]，至今仍為行之有效的解決方法。
分布式光纖振動(dòng)傳感的重要安防應用
分布式振動(dòng)傳感技術(shù)以其全分布式感知、靈敏度高、抗電磁干擾、隱蔽性好、定位精度高等優(yōu)勢，在長(cháng)距離周界安防、油氣管線(xiàn)安全監控、智能電網(wǎng)、鐵路安全監控等領(lǐng)域得到了廣泛應用。近年來(lái)，筆者所在的課題組也在相關(guān)領(lǐng)域做出了不少努力，并取得了一定的成效。
周界安防
分布式振動(dòng)傳感可以實(shí)現光纖沿線(xiàn)擾動(dòng)信息的實(shí)時(shí)檢測，在國境線(xiàn)以及核心區域的周界安防領(lǐng)域具有重要的應用前景。如何通過(guò)復雜擾動(dòng)信號判斷入侵類(lèi)型，是周界安防領(lǐng)域迫切需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。
課題組在研究中提出了基于頻譜歐氏距離（EDFS）的快速智能模式識別方法，對擾動(dòng)信號進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、識別[7]。EDFS方法主要分為4個(gè)步驟：
(1)初步判斷擾動(dòng)位置，利用短時(shí)能量和平移差分對擾動(dòng)位置的時(shí)間序列進(jìn)行分析，提取出有效擾動(dòng)數據；
(2)對上述有效擾動(dòng)數據做快速傅里葉變換，并進(jìn)行歸一化，獲得頻域特征；
(3)重復實(shí)施多類(lèi)擾動(dòng)，進(jìn)行上述兩步處理，將最能體現同類(lèi)擾動(dòng)的頻域特征作為參考模板，建立模板數據庫；
(4)將擾動(dòng)的待識別數據經(jīng)過(guò)(1)，(2)兩步處理，獲得的頻域特征與(3)步驟建立的模板數據庫進(jìn)行比對，確定擾動(dòng)類(lèi)型。
分布式光纖振動(dòng)傳感的重要安防應用
車(chē)輛定位與跟蹤技術(shù)
當前實(shí)時(shí)車(chē)輛定位與跟蹤技術(shù)多采用全球定位系統（GPS）、無(wú)線(xiàn)射頻識別（RFID）、超寬帶無(wú)線(xiàn)通信（UWB）等。然而，這些傳統技術(shù)需要在被跟蹤車(chē)輛安裝相應設備或磁卡，不便于管理和使用，易于損壞，隱蔽性差。2014年，課題組成功地將分布式振動(dòng)傳感系統用于園區車(chē)輛跟蹤[8]。它是利用環(huán)境擾動(dòng)對光纖傳輸信息影響進(jìn)行檢測的，通過(guò)檢測行駛車(chē)輛的擾動(dòng)，獲取車(chē)輛的位置、速度等信息。
鐵路安全綜合檢測技術(shù)
高速鐵路是國民經(jīng)濟大動(dòng)脈和國家重要基礎設施，是全面支撐區域經(jīng)濟一體化 一帶一路 制造強國和走出去戰略的基礎保障，對我國經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展、民生改善和國家安全起著(zhù)不可替代的全局性支撐作用。
隨著(zhù)鐵路速、密、重快速發(fā)展，高速鐵路軌道交通運行安全風(fēng)險在不斷加大，對運用高科技手段保安全的形勢越顯緊迫，鐵路總公司盛光祖總經(jīng)理在2016年中國鐵路總公司工作會(huì )議上明確提出深化重點(diǎn)領(lǐng)域科技攻關(guān)，加強鐵路安全保障技術(shù)、裝備運用維護技術(shù)。
因此，發(fā)展針對新一代高速鐵路軌道交通系統的綜合安全監測技術(shù)，對于確保鐵路運輸安全，支撐國家十三五發(fā)展戰略全面實(shí)現，具有十分重要的現實(shí)意義和歷史意義。項目中課題組通過(guò)運用Φ-OTDR和布里淵光時(shí)域反射計（BOTDR），可以實(shí)現對列車(chē)的行駛狀態(tài)及鐵路基礎設施進(jìn)行綜合安全檢測，為鐵路安全提供了一種全新的分布式、全天候檢測方法[9]。
在監控系統構架設計中，BOTDR主要針對應變和溫度變化的檢測，如供電電纜/通信光電纜異常溫升和斷線(xiàn)、邊坡滑移等。Φ-OTDR技術(shù)則針對基于振動(dòng)的安全檢測，如列車(chē)脫軌、車(chē)體分離、中途停車(chē)、塹坡落石、非法施工、人員入侵等。
分布式光纖振動(dòng)傳感的未來(lái)發(fā)展趨勢及展望
隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展，分布式振動(dòng)傳感的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程逐步加快。諸多領(lǐng)域對分布式振動(dòng)傳感技術(shù)的需求愈加迫切的同時(shí)，也對系統性能提出了更高的要求，比如實(shí)現更大的檢測范圍、更高的響應帶寬、更為精準的定位等。
高速鐵路、電力線(xiàn)、油氣管線(xiàn)等大型基礎設施通常長(cháng)達幾百、甚至幾千公里，需要進(jìn)行安全防范的距離非常長(cháng)，這對分布式光纖傳感系統的探測距離提出了更高的要求。然而，隨著(zhù)傳感距離的逐步增加，探測光脈沖在光纖中的光功率不斷衰減，信噪比隨之下降。當光功率下降到一定程度后，難以進(jìn)行信息正確的感知，這一距離即為系統的檢測范圍。北京中科飛龍傳感技術(shù)有限責任公司
顯然，檢測范圍受到光功率的限制。摻鉺光纖放大器（EDFA）發(fā)展后，被用于探測光的放大，提升傳感范圍。然而，受限于非線(xiàn)性效應，探測光功率不宜過(guò)大，傳感范圍的提升有限，且會(huì )引入放大的自發(fā)輻射（ASE）噪聲。目前，最有效的解決探測脈沖光功率受限的方法是分布式放大技術(shù)，包括光纖拉曼放大（FRA）和光纖布里淵放大（FBA），可以使分布式光纖傳感的距離達到上百公里。
車(chē)輛運行軌跡強度分布瀑布圖
傳感光纜沿路邊的路牙石鋪設，并用水泥固定。解調后的擾動(dòng)信息首先進(jìn)行動(dòng)態(tài)頻譜分析（DSFI），確定車(chē)輛擾動(dòng)的頻率范圍，提升信噪比；之后進(jìn)行二維數字平滑濾波，消除環(huán)境因素引起的孤島噪聲，便于車(chē)輛的識別和定位。(a)一輛車(chē)往返通過(guò)的瀑布圖；(b)多輛車(chē)依次同向通過(guò)的瀑布圖。從圖中可以看出，車(chē)輛行駛的信號非常清晰，效果顯著(zhù)。
對于分布式光纖傳感技術(shù)，系統的響應帶寬受到傳感范圍的限制，傳感范圍越大，響應帶寬越小。這是因為：探測脈沖的時(shí)間間隔不能小于光在光纖中的往返時(shí)間，脈沖重復頻率受限。然而，基于振動(dòng)的大型結構健康檢測，對系統的傳感范圍和響應帶寬均提出了較高的要求，如電力電纜的局部放電檢測、高壓油氣管線(xiàn)的泄露檢測等，都要求千赫至兆赫的系統響應帶寬，這是當前系統技術(shù)發(fā)展的一個(gè)非常重要的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。
筆者課題組已經(jīng)開(kāi)始著(zhù)手該領(lǐng)域的研究工作，通過(guò)在相鄰探測脈沖之間插入多個(gè)頻率調制脈沖的方式，提升脈沖重復頻率和響應帶寬，實(shí)現了10千米傳感范圍、0.5兆赫響應帶寬的分布式振動(dòng)檢測，并提出了長(cháng)度帶寬積（LBW）的概念[10]。
基于分布式光纖傳感的鐵路綜合安全光纖檢測技術(shù)
空間分辨直接決定了系統的定位精度和準確性。系統的空間分辨率和定位精度是由探測脈沖的時(shí)間尺度決定的。脈沖寬度越短，空間分辨率越佳，但是系統的信噪比越差，傳感范圍越小。
近年來(lái)，分布式光纖傳感技術(shù)空間分辨率由近百米優(yōu)化至幾米，均是采用減小脈沖寬度、利用放大技術(shù)提升信噪比的方式，未能打破脈沖寬度對空間分辨率的限制。在雷達領(lǐng)域，研究人員發(fā)現，雷達的定位精度并不是取決于脈沖寬度，而是取決于探測脈沖的頻譜寬度。通過(guò)增大頻譜寬度可以實(shí)現壓縮脈沖、改善定位精度的目的，這即為脈沖壓縮技術(shù)。
課題組嘗試將這一技術(shù)應用于分布式傳感Φ-OTDR 中，獲得了30 厘米的空間分辨率，首次將Φ-OTDR 的空間分辨率改善至亞米量級[11]，充分證實(shí)了該技術(shù)的可行性。
本文相關(guān)工作得到國家自然科學(xué)基金(61675216，61377062，61475165，61405227)、上海市科技創(chuàng )新基金（15XD1524500）、中國科學(xué)院創(chuàng )新基金（CXJJ-15Z006）和中國科學(xué)院重點(diǎn)部署項目的支持。該項技術(shù)《分布式光纖振動(dòng)傳感技術(shù)及其重要安防應用》獲得2016 年上海市技術(shù)發(fā)明一等獎，其核心專(zhuān)利《分布式光纖傳感器及信息解調方法，ZL201210099835.8》獲第八屆2016 年上海市發(fā)明創(chuàng )造專(zhuān)利獎二等獎。
作者簡(jiǎn)介：
蔡海文：
1997年畢業(yè)于華中科技大學(xué)光電子工程系，獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位。2002年獲中科院上海光機所光學(xué)工程博士學(xué)位。畢業(yè)后留所工作， 2007底破格晉升為研究員，2009年遴選為博士生導師。
葉青：
2006年獲中科院上海光機所博士學(xué)位，現為上海光機所副研究員。先后獲得上海市科技啟明星和中科院青年促進(jìn)會(huì )員等榮譽(yù)和資助。
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本文轉載自上?！犊茖W(xué)》雜志2017年第2期。
