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3月22日，在上海市科學技術獎勵大會上，中科院上海光機所的分布式光纖振動傳感技術及其重要安防應用項目榮獲2016年上海市技術發(fā)明獎一等獎。相關綜述論文將發(fā)表于《中國激光》2017年第6期。
隨著當今國際社會不穩(wěn)定因素的不斷上升，世界各國對國家核心要害部門和重大基礎設施的安全越來越重視，對相關安全監(jiān)測技術的要求也越來越高。分布式光纖振動傳感技術，能夠對光纖沿線外界擾動進行分布式感知，就像人的感知神經系統(tǒng)一樣可以全方位連續(xù)監(jiān)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(qū)域安全監(jiān)測中應用成效顯著。
基于相位敏感光時域反射計（Φ-OTDR）的分布式光纖振動傳感技術，對沿光纖鏈路的擾動入侵可以進行遠程探測和實時監(jiān)控，克服了常規(guī)點式光纖傳感器難以對被測對象進行全方位連續(xù)監(jiān)測的缺陷，是近年來國內外重點發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產業(yè)。
分布式光纖振動傳感的技術原理
Φ-OTDR分布式光纖振動傳感技術基本系統(tǒng)原理圖
通常采用線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。通過相干探測的機制實現(xiàn)外界微小擾動信號的感知。
分布式光纖振動傳感技術主要是采用窄線寬單頻激光作為探針光源，通過檢測和相干解調光纖中后向瑞利散射信號來實現(xiàn)對外界微小擾動信息的提取和識別。由于采用了相干接收，大大提高了系統(tǒng)探測靈敏度，延長了工作距離，縮短了信號獲取時間。
這種探測機制可以避免普通光時域反射計（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態(tài)信息傳感能力。通過對不同回波時間相位信息做移動差分，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。通過對重復掃描的相位數據做時間差分，就可以獲得相應位置的振動信息，從而實現(xiàn)對外界擾動信號的動態(tài)實時感知。
分布式光纖振動傳感的關鍵技術
基于相位解調分布式光纖振動傳感的關鍵技術主要分成兩部分：低噪聲單頻激光器技術和信號相干解調技術。
低噪聲單頻激光器技術
低噪聲、高穩(wěn)定度超窄線寬單頻光纖激光器由于具有極窄光譜線寬(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、光纖水聽器、引力波探測、相干激光通信等高精度的激光相干探測領域有著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]，由于其可實現(xiàn)穩(wěn)定的單縱模輸出，已經在分布式傳感等相干探測領域獲得了很好的應用和市場反饋。在這個研究領域，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，在通過層浸封裝技術隔震和低噪聲泵源抽運下，實現(xiàn)了穩(wěn)定的千赫線寬、毫瓦量級的保偏激光輸出。
同時，為了提高應用的范圍，進一步優(yōu)化了DFB激光器的相關性能，如通過高階邊帶注入鎖定技術的加入，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
(a) 相位調制雙脈沖Φ-OTDR原理結構圖；(b) 壓電陶瓷（PZT）擾動實驗的相位差曲線；(c)定量相位相干解調的擾動時間序列。
信號相干解調技術
分布式光纖振動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信號的有無，卻無法獲取擾動信息的波形。此外，直接探測系統(tǒng)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主要是采用相干探測機制為主。
筆者課題組于2011年就開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的研究[3]。在研究中，通過壓電陶瓷對傳感光纖600米處加載200赫擾動，從解調獲得的幅度—時間和相位—時間曲線中可以看到，幅度信息可以大致反映擾動的波動情況，但是由于幅度與擾動的非單調性導致信號失真；相位信息能夠更好地重建擾動信號，實現(xiàn)相位定量化測量，大大地推進了分布式光纖傳感技術的實用化。
在分布式光纖振動傳感信號相干解調技術中，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(xiàn)干涉相消時，光強變弱，對應位置的靈敏度變差，相位信息也無法進行解調，影響傳感系統(tǒng)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，課題組提出了利用相位調制雙脈沖來解決干涉衰落的問題[3,4]。通過對脈沖對的0—π相位調制，改變沿線的衰落情況，并對其綜合判別，實現(xiàn)擾動信息的無衰落重建，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(tǒng)的瑞利散射機理和干涉衰落特性進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現(xiàn)偏振衰落的消除[6]，至今仍為行之有效的解決方法。
分布式光纖振動傳感的重要安防應用
分布式振動傳感技術以其全分布式感知、靈敏度高、抗電磁干擾、隱蔽性好、定位精度高等優(yōu)勢，在長距離周界安防、油氣管線安全監(jiān)控、智能電網、鐵路安全監(jiān)控等領域得到了廣泛應用。近年來，筆者所在的課題組也在相關領域做出了不少努力，并取得了一定的成效。
周界安防
分布式振動傳感可以實現(xiàn)光纖沿線擾動信息的實時檢測，在國境線以及核心區(qū)域的周界安防領域具有重要的應用前景。如何通過復雜擾動信號判斷入侵類型，是周界安防領域迫切需要解決的關鍵問題。
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，對擾動信號進行實時分析、識別[7]。EDFS方法主要分為4個步驟：
(1)初步判斷擾動位置，利用短時能量和平移差分對擾動位置的時間序列進行分析，提取出有效擾動數據；
(2)對上述有效擾動數據做快速傅里葉變換，并進行歸一化，獲得頻域特征；
(3)重復實施多類擾動，進行上述兩步處理，將最能體現(xiàn)同類擾動的頻域特征作為參考模板，建立模板數據庫；
(4)將擾動的待識別數據經過(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行比對，確定擾動類型。
分布式光纖振動傳感的重要安防應用
車輛定位與跟蹤技術
當前實時車輛定位與跟蹤技術多采用全球定位系統(tǒng)（GPS）、無線射頻識別（RFID）、超寬帶無線通信（UWB）等。然而，這些傳統(tǒng)技術需要在被跟蹤車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傳感系統(tǒng)用于園區(qū)車輛跟蹤[8]。它是利用環(huán)境擾動對光纖傳輸信息影響進行檢測的，通過檢測行駛車輛的擾動，獲取車輛的位置、速度等信息。
鐵路安全綜合檢測技術
高速鐵路是國民經濟大動脈和國家重要基礎設施，是全面支撐區(qū)域經濟一體化 一帶一路 制造強國和走出去戰(zhàn)略的基礎保障，對我國經濟社會發(fā)展、民生改善和國家安全起著不可替代的全局性支撐作用。
隨著鐵路速、密、重快速發(fā)展，高速鐵路軌道交通運行安全風險在不斷加大，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理在2016年中國鐵路總公司工作會議上明確提出深化重點領域科技攻關，加強鐵路安全保障技術、裝備運用維護技術。
因此，發(fā)展針對新一代高速鐵路軌道交通系統(tǒng)的綜合安全監(jiān)測技術，對于確保鐵路運輸安全，支撐國家十三五發(fā)展戰(zhàn)略全面實現(xiàn)，具有十分重要的現(xiàn)實意義和歷史意義。項目中課題組通過運用Φ-OTDR和布里淵光時域反射計（BOTDR），可以實現(xiàn)對列車的行駛狀態(tài)及鐵路基礎設施進行綜合安全檢測，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(jiān)控系統(tǒng)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、邊坡滑移等。Φ-OTDR技術則針對基于振動的安全檢測，如列車脫軌、車體分離、中途停車、塹坡落石、非法施工、人員入侵等。
分布式光纖振動傳感的未來發(fā)展趨勢及展望
隨著物聯(lián)網技術不斷發(fā)展，分布式振動傳感的產業(yè)化進程逐步加快。諸多領域對分布式振動傳感技術的需求愈加迫切的同時，也對系統(tǒng)性能提出了更高的要求，比如實現(xiàn)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、油氣管線等大型基礎設施通常長達幾百、甚至幾千公里，需要進行安全防范的距離非常長，這對分布式光纖傳感系統(tǒng)的探測距離提出了更高的要求。然而，隨著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，難以進行信息正確的感知，這一距離即為系統(tǒng)的檢測范圍。
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，受限于非線性效應，探測光功率不宜過大，傳感范圍的提升有限，且會引入放大的自發(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，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。解調后的擾動信息首先進行動態(tài)頻譜分析（DSFI），確定車輛擾動的頻率范圍，提升信噪比；之后進行二維數字平滑濾波，消除環(huán)境因素引起的孤島噪聲，便于車輛的識別和定位。(a)一輛車往返通過的瀑布圖；(b)多輛車依次同向通過的瀑布圖。從圖中可以看出，車輛行駛的信號非常清晰，效果顯著。
對于分布式光纖傳感技術，系統(tǒng)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：探測脈沖的時間間隔不能小于光在光纖中的往返時間，脈沖重復頻率受限。然而，基于振動的大型結構健康檢測，對系統(tǒng)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、高壓油氣管線的泄露檢測等，都要求千赫至兆赫的系統(tǒng)響應帶寬，這是當前系統(tǒng)技術發(fā)展的一個非常重要的關鍵技術難點。
筆者課題組已經開始著手該領域的研究工作，通過在相鄰探測脈沖之間插入多個頻率調制脈沖的方式，提升脈沖重復頻率和響應帶寬，實現(xiàn)了10千米傳感范圍、0.5兆赫響應帶寬的分布式振動檢測，并提出了長度帶寬積（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
空間分辨直接決定了系統(tǒng)的定位精度和準確性。系統(tǒng)的空間分辨率和定位精度是由探測脈沖的時間尺度決定的。脈沖寬度越短，空間分辨率越佳，但是系統(tǒng)的信噪比越差，傳感范圍越小。
近年來，分布式光纖傳感技術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。在雷達領域，研究人員發(fā)現(xiàn)，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。通過增大頻譜寬度可以實現(xiàn)壓縮脈沖、改善定位精度的目的，這即為脈沖壓縮技術。
課題組嘗試將這一技術應用于分布式傳感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]，充分證實了該技術的可行性。
本文相關工作得到國家自然科學基金(61675216，61377062，61475165，61405227)、上海市科技創(chuàng)新基金（15XD1524500）、中國科學院創(chuàng)新基金（CXJJ-15Z006）和中國科學院重點部署項目的支持。該項技術《分布式光纖振動傳感技術及其重要安防應用》獲得2016 年上海市技術發(fā)明一等獎，其核心專利《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)造專利獎二等獎。
作者簡介：
蔡海文：
1997年畢業(yè)于華中科技大學光電子工程系，獲工學學士學位。2002年獲中科院上海光機所光學工程博士學位。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位，現(xiàn)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會員等榮譽和資助。
1．Fang Wei, Fei Yang, Xi Zhang, et al. Subkilohertz linewidth reduction of a DFB diode laser using self-injection locking with a fiber Bragg grating Fabry-Perot cavity. Optics Express, 2016, 24(15): 17406-17415.
２．Kang Ying, Dijun Chen, Zhengqing Pan, et al. All-optical noise reduction of fiber laser via intracavity SOA structure. Applied Optics, 2016, 55(29): 8185-8188.
３．Zhengqing Pan, Kezhen Liang, Qing Ye, et al. Phase-sensitive OTDR system based on digital coherent detection. Asia Communications and Photonics, 2011, 8311: 83110S.
４．Zhengqing Pan, Kezhen Liang, Jun Zhou, et al. Interference-fading-free phase-demodulated OTDR system. Proc. of SPIE, 2011, 8421: 842129.
５．Jun Zhou, Zhengqing Pan, Qing Ye, et al. Characteristics and explanations of interference fading of a Φ-OTDR with a multi-frequency source. Journal of Lightwave Technology, 2013, 31(17): 2947-2954.
６．Juarez J C, Taylor H F. Polarization discrimination in a phase-sensitive optical time-domain reflectometer intrusion-sensor system. Optics Letters, 2005, 30(24):3284-3286.
７．王照勇, 潘政清, 葉青, 等. 用于光纖圍欄入侵告警的頻譜分析快速模式識別. 中國激光, 2015, 42(4): 0405010.
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10．Zhaoyong Wang, Zhengqing Pan, Zujie Fang, et al. Ultra-broadband phase-sensitive optical time-domain reflectometry with a temporally sequenced multi-frequency source. Optics Letters, 2015, 40(22):5192-5195.
11．Bin Lu, Zhengqing Pan, Zhaoyong Wang, et al. High spatial resolution phase sensitive optical time domain reflectometer.
END
