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3月22日，在上海市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上，中科院上海光機(jī)所的分布式光纖振動(dòng)傳感技術(shù)及其重要安防應(yīng)用項(xiàng)目榮獲2016年上海市技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。相關(guān)綜述論文將發(fā)表于《中國(guó)激光》2017年第6期。
作者
葉青 | 蔡海文
隨著當(dāng)今國(guó)際社會(huì)不穩(wěn)定因素的不斷上升，世界各國(guó)對(duì)國(guó)家核心要害部門和重大基礎(chǔ)設(shè)施的安全越來(lái)越重視，對(duì)相關(guān)安全監(jiān)測(cè)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?qū)饫w沿線外界擾動(dòng)進(jìn)行分布式感知，就像人的感知神經(jīng)系統(tǒng)一樣可以全方位連續(xù)監(jiān)測(cè)，在事件精確定位、隱蔽性、環(huán)境適應(yīng)性等方面具有不可替代的優(yōu)勢(shì)，在重要核心設(shè)施和區(qū)域安全監(jiān)測(cè)中應(yīng)用成效顯著。
基于相位敏感光時(shí)域反射計(jì)（Φ-OTDR）的分布式光纖振動(dòng)傳感技術(shù)，對(duì)沿光纖鏈路的擾動(dòng)入侵可以進(jìn)行遠(yuǎn)程探測(cè)和實(shí)時(shí)監(jiān)控，克服了常規(guī)點(diǎn)式光纖傳感器難以對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行全方位連續(xù)監(jiān)測(cè)的缺陷，是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)發(fā)展的戰(zhàn)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(tǒng)原理圖
通常采用線寬為千赫量級(jí)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(cè)的機(jī)制實(shí)現(xiàn)外界微小擾動(dòng)信號(hào)的感知。
分布式光纖振動(dòng)傳感技術(shù)主要是采用窄線寬單頻激光作為探針光源，通過(guò)檢測(cè)和相干解調(diào)光纖中后向瑞利散射信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)外界微小擾動(dòng)信息的提取和識(shí)別。由于采用了相干接收，大大提高了系統(tǒng)探測(cè)靈敏度，延長(zhǎng)了工作距離，縮短了信號(hào)獲取時(shí)間。
這種探測(cè)機(jī)制可以避免普通光時(shí)域反射計(jì)（OTDR）信號(hào)處理采用的多次平均，允許利用每次掃描取得的數(shù)據(jù)，這就使分布式傳感器具備更強(qiáng)的動(dòng)態(tài)信息傳感能力。通過(guò)對(duì)不同回波時(shí)間相位信息做移動(dòng)差分，就可以獲得相應(yīng)位置光波傳輸相位的空間（光纖軸向）變化信息。通過(guò)對(duì)重復(fù)掃描的相位數(shù)據(jù)做時(shí)間差分，就可以獲得相應(yīng)位置的振動(dòng)信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)外界擾動(dòng)信號(hào)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(diào)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(hào)相干解調(diào)技術(shù)。
低噪聲單頻激光器技術(shù)
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(jí))、超低頻率噪聲和強(qiáng)度噪聲、良好的相干特性(相干長(zhǎng)度達(dá)到幾十公里甚至上百公里)，在遠(yuǎn)距離分布式光纖傳感、相干激光雷達(dá)、光纖水聽(tīng)器、引力波探測(cè)、相干激光通信等高精度的激光相干探測(cè)領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用前景。
當(dāng)前，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)]，由于其可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的單縱模輸出，已經(jīng)在分布式傳感等相干探測(cè)領(lǐng)域獲得了很好的應(yīng)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(yùn)下，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的千赫線寬、毫瓦量級(jí)的保偏激光輸出。
同時(shí)，為了提高應(yīng)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(chǔ)上，大幅度提高了它的調(diào)諧范圍[1]。通過(guò)將半導(dǎo)體光放大器引入激光諧振腔內(nèi)，成功將激光器的強(qiáng)度噪聲抑制了35分貝，削除了弛豫振蕩峰[2]。
信號(hào)相干解調(diào)技術(shù)
(a) 相位調(diào)制雙脈沖Φ-OTDR原理結(jié)構(gòu)圖；(b) 壓電陶瓷（PZT）擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)的相位差曲線；(c)定量相位相干解調(diào)的擾動(dòng)時(shí)間序列。
信號(hào)相干解調(diào)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(hào)直接探測(cè)方式，這種探測(cè)方式可以定性判斷擾動(dòng)信號(hào)的有無(wú)，卻無(wú)法獲取擾動(dòng)信息的波形。此外，直接探測(cè)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(cè)的靈敏度，當(dāng)前分布式光纖傳感技術(shù)主要是采用相干探測(cè)機(jī)制為主。
筆者課題組于2011年就開(kāi)展了基于相干探測(cè)的數(shù)字相位解調(diào)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(duì)傳感光纖600米處加載200赫擾動(dòng)，從解調(diào)獲得的幅度—時(shí)間和相位—時(shí)間曲線中可以看到，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(diào)性導(dǎo)致信號(hào)失真；相位信息能夠更好地重建擾動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)相位定量化測(cè)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(hào)相干解調(diào)技術(shù)中，容易受到兩種衰落機(jī)制的影響，即干涉衰落和偏振衰落。干涉衰落是由脈沖內(nèi)干涉引起的，當(dāng)出現(xiàn)干涉相消時(shí)，光強(qiáng)變?nèi)?，?duì)應(yīng)位置的靈敏度變差，相位信息也無(wú)法進(jìn)行解調(diào)，影響傳感系統(tǒng)的性能。偏振衰落則是源于傳感光纖內(nèi)光波偏振態(tài)的隨機(jī)緩慢變化和后向瑞利散射光的偏振變化，導(dǎo)致拍頻信號(hào)幅度變?nèi)?，靈敏度變差。 近年來(lái)，課題組提出了利用相位調(diào)制雙脈沖來(lái)解決干涉衰落的問(wèn)題[3,4]。通過(guò)對(duì)脈沖對(duì)的0—π相位調(diào)制，改變沿線的衰落情況，并對(duì)其綜合判別，實(shí)現(xiàn)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(duì)系統(tǒng)的瑞利散射機(jī)理和干涉衰落特性進(jìn)行了理論分析及仿真驗(yàn)證[5]。對(duì)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(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(dòng)傳感的重要安防應(yīng)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(shì)，在長(zhǎng)距離周界安防、油氣管線安全監(jiān)控、智能電網(wǎng)、鐵路安全監(jiān)控等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)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(xiàn)光纖沿線擾動(dòng)信息的實(shí)時(shí)檢測(cè)，在國(guó)境線以及核心區(qū)域的周界安防領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。如何通過(guò)復(fù)雜擾動(dòng)信號(hào)判斷入侵類型，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(shí)別方法，對(duì)擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、識(shí)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(duì)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(shù)據(jù)；
(2)對(duì)上述有效擾動(dòng)數(shù)據(jù)做快速傅里葉變換，并進(jìn)行歸一化，獲得頻域特征；
(3)重復(fù)實(shí)施多類擾動(dòng)，進(jìn)行上述兩步處理，將最能體現(xiàn)同類擾動(dòng)的頻域特征作為參考模板，建立模板數(shù)據(jù)庫(kù)；
(4)將擾動(dòng)的待識(shí)別數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，確定擾動(dòng)類型。
分布式光纖振動(dòng)傳感的重要安防應(yīng)用
車輛定位與跟蹤技術(shù)
當(dāng)前實(shí)時(shí)車輛定位與跟蹤技術(shù)多采用全球定位系統(tǒng)（GPS）、無(wú)線射頻識(shí)別（RFID）、超寬帶無(wú)線通信（UWB）等。然而，這些傳統(tǒng)技術(shù)需要在被跟蹤車輛安裝相應(yīng)設(shè)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(tǒng)用于園區(qū)車輛跟蹤[8]。它是利用環(huán)境擾動(dòng)對(duì)光纖傳輸信息影響進(jìn)行檢測(cè)的，通過(guò)檢測(cè)行駛車輛的擾動(dòng)，獲取車輛的位置、速度等信息。
鐵路安全綜合檢測(cè)技術(shù)
高速鐵路是國(guó)民經(jīng)濟(jì)大動(dòng)脈和國(guó)家重要基礎(chǔ)設(shè)施，是全面支撐區(qū)域經(jīng)濟(jì)一體化 一帶一路 制造強(qiáng)國(guó)和走出去戰(zhàn)略的基礎(chǔ)保障，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、民生改善和國(guó)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(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)在不斷加大，對(duì)運(yùn)用高科技手段保安全的形勢(shì)越顯緊迫，鐵路總公司盛光祖總經(jīng)理在2016年中國(guó)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(qiáng)鐵路安全保障技術(shù)、裝備運(yùn)用維護(hù)技術(shù)。
因此，發(fā)展針對(duì)新一代高速鐵路軌道交通系統(tǒng)的綜合安全監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)于確保鐵路運(yùn)輸安全，支撐國(guó)家十三五發(fā)展戰(zhàn)略全面實(shí)現(xiàn)，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和歷史意義。項(xiàng)目中課題組通過(guò)運(yùn)用Φ-OTDR和布里淵光時(shí)域反射計(jì)（BOTDR），可以實(shí)現(xiàn)對(duì)列車的行駛狀態(tài)及鐵路基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行綜合安全檢測(cè)，為鐵路安全提供了一種全新的分布式、全天候檢測(cè)方法[9]。
在監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)中，BOTDR主要針對(duì)應(yīng)變和溫度變化的檢測(cè)，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(shù)則針對(duì)基于振動(dòng)的安全檢測(cè)，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(dòng)傳感的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)及展望
隨著物聯(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?qū)Ψ植际秸駝?dòng)傳感技術(shù)的需求愈加迫切的同時(shí)，也對(duì)系統(tǒng)性能提出了更高的要求，比如實(shí)現(xiàn)更大的檢測(cè)范圍、更高的響應(yīng)帶寬、更為精準(zhǔn)的定位等。
高速鐵路、電力線、油氣管線等大型基礎(chǔ)設(shè)施通常長(zhǎng)達(dá)幾百、甚至幾千公里，需要進(jìn)行安全防范的距離非常長(zhǎng)，這對(duì)分布式光纖傳感系統(tǒng)的探測(cè)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(cè)光脈沖在光纖中的光功率不斷衰減，信噪比隨之下降。當(dāng)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(tǒng)的檢測(cè)范圍。北京中科飛龍傳感技術(shù)有限責(zé)任公司
顯然，檢測(cè)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(cè)光的放大，提升傳感范圍。然而，受限于非線性效應(yīng)，探測(cè)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(cè)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(dá)到上百公里。
車輛運(yùn)行軌跡強(qiáng)度分布瀑布圖
傳感光纜沿路邊的路牙石鋪設(shè)，并用水泥固定。解調(diào)后的擾動(dòng)信息首先進(jìn)行動(dòng)態(tài)頻譜分析（DSFI），確定車輛擾動(dòng)的頻率范圍，提升信噪比；之后進(jìn)行二維數(shù)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(shí)別和定位。(a)一輛車往返通過(guò)的瀑布圖；(b)多輛車依次同向通過(guò)的瀑布圖。從圖中可以看出，車輛行駛的信號(hào)非常清晰，效果顯著。
對(duì)于分布式光纖傳感技術(shù)，系統(tǒng)的響應(yīng)帶寬受到傳感范圍的限制，傳感范圍越大，響應(yīng)帶寬越小。這是因?yàn)椋禾綔y(cè)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(fù)頻率受限。然而，基于振動(dòng)的大型結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)，對(duì)系統(tǒng)的傳感范圍和響應(yīng)帶寬均提出了較高的要求，如電力電纜的局部放電檢測(cè)、高壓油氣管線的泄露檢測(cè)等，都要求千赫至兆赫的系統(tǒng)響應(yīng)帶寬，這是當(dāng)前系統(tǒng)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)始著手該領(lǐng)域的研究工作，通過(guò)在相鄰探測(cè)脈沖之間插入多個(gè)頻率調(diào)制脈沖的方式，提升脈沖重復(fù)頻率和響應(yīng)帶寬，實(shí)現(xiàn)了10千米傳感范圍、0.5兆赫響應(yīng)帶寬的分布式振動(dòng)檢測(cè)，并提出了長(zhǎng)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(cè)技術(shù)
空間分辨直接決定了系統(tǒng)的定位精度和準(zhǔn)確性。系統(tǒng)的空間分辨率和定位精度是由探測(cè)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(tǒng)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(duì)空間分辨率的限制。在雷達(dá)領(lǐng)域，研究人員發(fā)現(xiàn)，雷達(dá)的定位精度并不是取決于脈沖寬度，而是取決于探測(cè)脈沖的頻譜寬度。通過(guò)增大頻譜寬度可以實(shí)現(xiàn)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(yīng)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(jí)[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(guó)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(guó)科學(xué)院創(chuàng)新基金（CXJJ-15Z006）和中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目的支持。該項(xiàng)技術(shù)《分布式光纖振動(dòng)傳感技術(shù)及其重要安防應(yīng)用》獲得2016 年上海市技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)，其核心專利《分布式光纖傳感器及信息解調(diào)方法，ZL201210099835.8》獲第八屆2016 年上海市發(fā)明創(chuàng)造專利獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
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(jī)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(dǎo)師。
葉青：
2006年獲中科院上海光機(jī)所博士學(xué)位，現(xiàn)為上海光機(jī)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。
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(shí)別. 中國(guó)激光, 2015, 42(4): 0405010.
９．瞿榮輝, 王照勇, 曹玉龍, 等. 鐵路安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)方法. 中國(guó)，201610576448.7, 2016-07-21.
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.
本文轉(zhuǎn)載自上?！犊茖W(xué)》雜志2017年第2期。
