尚 盈，王 昌

1.齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）激光研究所，山東濟(jì)南250014

2.齊魯工業(yè)大學(xué)光電工程國(guó)際化學(xué)院，山東濟(jì)南250014

隨著電力、環(huán)境、石油石化及基礎(chǔ)建設(shè)、要地安防等行業(yè)的快速發(fā)展，安全生產(chǎn)和邊界檢測(cè)的要求愈來(lái)愈高。在管線安全、周界防范、地震和海嘯檢測(cè)、海洋檢測(cè)勘探、井下微地震壓裂檢測(cè)等重要領(lǐng)域內(nèi)，對(duì)聲場(chǎng)/振動(dòng)場(chǎng)的時(shí)空分布狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量和實(shí)時(shí)監(jiān)控的需求也越來(lái)越迫切。分布式光纖傳感器兼具傳感、傳輸功能于一體，能夠獲得物理量的空間、時(shí)間多維分布信息，是目前光纖傳感領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

目前常見(jiàn)的分布式光纖傳感技術(shù)分為以下兩類：干涉型分布式光纖傳感技術(shù)和散射型分布式光纖傳感技術(shù)。

1 基于干涉原理的分布式光纖傳感技術(shù)

干涉儀的種類包括Michelson 光纖干涉儀、Mach-Zehnder 光纖干涉儀、Sagnac 光纖干涉儀及復(fù)合結(jié)構(gòu)干涉儀等?；谏鲜霾煌缮鎯x可形成干涉式分布光纖傳感器，這類分布式光纖傳感器具有高靈敏度的優(yōu)點(diǎn)，但存在著易受干擾、檢測(cè)范圍短、定位算法復(fù)雜等問(wèn)題。

1.1 基于Michelson 干涉儀的分布式光纖傳感技術(shù)

Michelson 干涉儀[1]主要由3 dB 耦合器和2 個(gè)反射鏡構(gòu)成，分束后的激光通過(guò)反射鏡的反射產(chǎn)生干涉效應(yīng)?；贛ichelson 干涉儀的分布式光纖傳感技術(shù)的原理如圖1 所示。激光器發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)耦合器后一分為二，分別進(jìn)入Michelson 干涉儀的信號(hào)臂和參考臂，分束后的激光分別在信號(hào)臂和參考臂光纖中傳輸，經(jīng)由反射鏡反射后在3 dB 耦合器處進(jìn)行干涉。如果信號(hào)臂存在擾動(dòng)信號(hào)，干涉光相位受到擾動(dòng)將發(fā)生變化，通過(guò)光強(qiáng)的變化信息的解調(diào)完成擾動(dòng)事件的檢測(cè)。

圖1 基于Michelson 干涉儀的分布式光纖傳感技術(shù)的原理圖Figure 1 Schematic diagram of distributed optical fiber sensing technology based on Michelson interferometer

2001年，Chojnacki 等[2]將脈沖光注入Michelson 干涉儀，完成了振動(dòng)信號(hào)的分布式測(cè)量，采用3×3 耦合器解調(diào)技術(shù)還原外界振動(dòng)信號(hào)。2011年，北京郵電大學(xué)研究人員采用基于雙Michelson 干涉儀波分復(fù)用（WDM）技術(shù)實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)度為4 012 m、空間分辨率為±51 m 的檢測(cè)[3]。由于Michelson 干涉儀的分布式光纖傳感技術(shù)容易受外界干擾因素的影響，故需對(duì)干涉儀的參考臂進(jìn)行有效隔聲隔振，而該技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)擾動(dòng)的同時(shí)測(cè)量。

1.2 基于Mach-Zehnder 干涉儀的分布式光纖傳感技術(shù)

Mach-Zehnder 干涉儀通過(guò)2 個(gè)3 dB 耦合器構(gòu)成Mach-Zehnder 結(jié)構(gòu)[4]實(shí)現(xiàn)干涉檢測(cè)?；贛ach-Zehnder 型干涉儀的分布式光纖傳感技術(shù)原理如圖2 所示。激光經(jīng)過(guò)3 dB 耦合器一分為二，分別進(jìn)入到參考臂和信號(hào)臂光路，然后經(jīng)過(guò)3 dB 耦合器進(jìn)行合束、干涉，產(chǎn)生干涉信號(hào)。當(dāng)干涉儀的信號(hào)臂有振動(dòng)信號(hào)時(shí)，相應(yīng)位置的光纖會(huì)產(chǎn)生形變，進(jìn)而引起相位發(fā)生改變，同時(shí)監(jiān)測(cè)相位信號(hào)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的還原。

圖2 基于Mach-Zehnder 型干涉儀的分布式光纖傳感技術(shù)原理圖Figure 2 Schematic diagram of distributed optical fiber sensing technology based on Mach-Zehnder interferometer

2008年，華中科技大學(xué)研究人員采用Mach-Zehnder 干涉技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)長(zhǎng)度為1 km、空間分辨率38 m 的分布式檢測(cè)，采用環(huán)形Mach-Zehnder 結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)能夠完成多點(diǎn)檢測(cè)[5]。

1.3 基于Sagnac 干涉儀的分布式光纖傳感技術(shù)

Sagnac 干涉儀由耦合器和光纖環(huán)構(gòu)成，基于Sagnac 干涉儀的分布式光纖傳感技術(shù)原理[6]如圖3 所示，激光經(jīng)3 dB 耦合器后一分為二，分束光分別沿順時(shí)針和逆時(shí)針2 個(gè)方向在Sagnac 光纖環(huán)內(nèi)傳播，在耦合器相遇產(chǎn)生干涉。由于分束后的激光從3 dB 耦合器到達(dá)擾動(dòng)事件點(diǎn)位置的時(shí)間不同，當(dāng)再相遇時(shí)，在3 dB 耦合器處產(chǎn)生相位差，在干涉信號(hào)中解調(diào)出相位差即可獲取外界振動(dòng)信息。

圖3 基于Sagnac 干涉儀的分布式光纖傳感技術(shù)原理圖Figure 3 Schematic diagram of distributed optical fiber sensing technology based on Sagnac interferometer

2014年，Wang[7]提出基于Sagnac 的二次FFT 算法，更加準(zhǔn)確地獲取第一頻率陷波點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)長(zhǎng)度為41 km 、定位精度為100 m 的多點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量。

1.4 復(fù)合型干涉儀光纖分布式傳感技術(shù)

單一干涉型光纖傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度較高的優(yōu)點(diǎn)但同時(shí)存在定位困難、易受干擾等缺陷，為了更好地發(fā)揮干涉型光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)，相繼出現(xiàn)了雙Mach-Zehnder[8-9]、雙Sagnac[10-11]、Sagnac-Machelson[12]、Sagnac-Mach-Zehnder[13-14]、雙Machelson 等復(fù)合型結(jié)構(gòu)。

基于雙Mach-Zehnder 光纖干涉儀的原理[15]如圖4 所示，該系統(tǒng)包含1 個(gè)光源及2 個(gè)探測(cè)器，光纜中3 根等長(zhǎng)的光纖形成2 個(gè)對(duì)稱的Mach-Zehneder 干涉儀，當(dāng)干涉臂A、B 上有外界擾動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，由擾動(dòng)信號(hào)引起的干涉光沿相反方向傳輸，探測(cè)器1 和2 分別獲取2個(gè)具有一定延時(shí)的光強(qiáng)波動(dòng)信號(hào)。2011年，清華大學(xué)Xie 等[16]提出了基于雙Mach-Zehnder干涉儀的均方差預(yù)測(cè)理論（MSE），提高了定位精度。

圖4 雙Mach-Zehnder 光纖干涉儀原理圖Figure 4 Schematic diagram of dual Mach-Zehnder fiber interferometer

2 基于后向散射技術(shù)的分布式光纖傳感技術(shù)

2.1 基于拉曼散射的分布式溫度傳感技術(shù)

1928年，印度科學(xué)家拉曼首次發(fā)現(xiàn)了光波在被散射后頻率發(fā)生改變的現(xiàn)象（后被稱為拉曼效應(yīng)，拉曼散射）[17]，因此榮獲1930年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，從此開(kāi)啟了人們對(duì)拉曼散射的深入研究。2016年，Bazzo[18]對(duì)傳統(tǒng)拉曼分布式光纖溫度傳感器的低通特性進(jìn)行了研究，顯著降低了溫度測(cè)量值的抖動(dòng)，并提出了一個(gè)去卷積算法，提高了分布式拉曼溫度傳感系統(tǒng)的空間分辨率，與1m 空間分辨率相比，其分辨率增益高達(dá)6 倍。

2.2 基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)

基于布里淵散射的分布式光纖傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)溫度和應(yīng)變的同時(shí)檢測(cè)，基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)測(cè)量精度高、單次測(cè)量信息獲取效率高，科研人員對(duì)布里淵技術(shù)進(jìn)行了廣泛、深入的研究。

當(dāng)前，基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)按照工作原理可以分為以下四類：布里淵光時(shí)域反射技術(shù)（BOTDR）、布里淵光時(shí)域分析技術(shù)（BOTDA）、布里淵光頻域分析技術(shù)（BOFDA）及布里淵相關(guān)連續(xù)波技術(shù)（BOCDA）。

1989年，日本NTT 的Horiguchi 等[19-20]提出了一種基于BOTDA 的光纖無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，主要利用到受激布里淵的放大特性，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖5 所示。激光器1 和2 分別從傳感光纖兩端注入并相向傳播[21]。其中激光器1 是頻率為v1的脈沖泵浦光，激光器2 是頻率為v2的連續(xù)探測(cè)光，且當(dāng)2 個(gè)激光器的頻率差v2?v1等于布里淵頻移vB時(shí)，強(qiáng)脈沖泵浦光放大弱連續(xù)光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)受激布里淵信號(hào)的放大。

圖5 BOTDA 原理圖Figure 5 Schematic diagram of BOTDA

在BOTDR 和BOTDA 研究初期，系統(tǒng)的空間分辨率難以滿足實(shí)際工程中高精度的要求，而隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已研制出cm 量級(jí)的BOTDA 系統(tǒng)[22]。

與BOTDR 相比，BOTDA 為了增強(qiáng)布里淵散射，用傳輸方向相反的兩束激光使傳感信號(hào)強(qiáng)度得到了受激增大，提高了溫度、應(yīng)變的測(cè)量精度，因而系統(tǒng)測(cè)量范圍更大。然而，BOTDA系統(tǒng)采用雙端輸入且光路較復(fù)雜，系統(tǒng)成本略高，尤其雙端泵浦-探測(cè)結(jié)構(gòu)限制了該方案的應(yīng)用。

BOFDA 是Ghafoori-Shiraz 等[23]在1985年提出的一種光纖無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，它是分布式布里淵光纖傳感器頻域?qū)崿F(xiàn)方案的技術(shù)基礎(chǔ)，其原理結(jié)構(gòu)圖如圖6 所示。將頻率不同的連續(xù)光注入傳感光纖兩端，并且調(diào)諧探測(cè)光νS與泵浦光νP的頻差?ν=νS?νP等于布里淵頻移vB。為了得到傳感光纖復(fù)合基帶傳輸函數(shù)，首先用可變頻率fm的信號(hào)源調(diào)制探測(cè)光的幅值，然后對(duì)于每一個(gè)調(diào)制信號(hào)頻率fm，同時(shí)檢測(cè)注入光纖的探測(cè)光強(qiáng)度IS(L) 和泵浦光強(qiáng)度IP(L,t)，利用網(wǎng)絡(luò)分析儀獲取傳感光纖的基帶傳輸函數(shù)，最后通過(guò)頻域分析法進(jìn)行空間定位。

圖6 光頻域分析技術(shù)原理圖Figure 6 Schematic diagram of optical frequency domain analysis technology

相較于BOTDR 和BOTDA，BOFDA 能夠獲取的信噪比及動(dòng)態(tài)范圍更高，而B(niǎo)OFDA的空間分辨率和傳感距離分別由頻率掃描的范圍和頻率掃描步長(zhǎng)決定，所以BOFDA 想要獲得更高的性能指標(biāo)，需要的測(cè)量時(shí)間也較長(zhǎng)。

BOCDA 方案是由日本東京大學(xué)電子工程系的Hotate 等[24]提出的，基本原理結(jié)構(gòu)圖如圖7 所示。在布里淵相關(guān)連續(xù)波技術(shù)中，正弦調(diào)制泵浦光與探測(cè)光的頻率，沿傳感光纖長(zhǎng)度方向產(chǎn)生周期性的相關(guān)峰，相鄰相關(guān)峰之間的間距可表達(dá)為

圖7 布里淵相關(guān)連續(xù)波方案原理圖Figure 7 Schematic diagram of Brillouin related continuous wave scheme

式中：fm是調(diào)制頻率；νg是光波的群速度。

相關(guān)峰的位置隨著調(diào)制頻率fm的改變而改變，進(jìn)而完成分布式測(cè)量。布里淵相關(guān)連續(xù)波方案采用連續(xù)波進(jìn)行探測(cè)，該技術(shù)的測(cè)量速度大于基于脈沖探測(cè)的方案。該方案可獲得的空間分辨率較高，但由于需要保證一次測(cè)量中傳感光纖上只能存在一個(gè)相關(guān)峰，其傳感距離較短。

2.3 基于瑞利散射的分布式光纖傳感技術(shù)

當(dāng)外界物理場(chǎng)環(huán)境（如聲波、振動(dòng)、溫度、應(yīng)變等）以及光纖線路的損耗、連接點(diǎn)和斷點(diǎn)作用在傳感光纖上某位置時(shí)，傳感光纖中的彈光效應(yīng)和熱光效應(yīng)導(dǎo)致了該位置的傳感光纖的散射單元長(zhǎng)度和折射率發(fā)生改變，從而引起該位置的后向瑞利散射光相位發(fā)生改變，傳感光纖瑞利散射光的相位發(fā)生變化會(huì)導(dǎo)致傳輸?shù)教綔y(cè)器的瑞利散射光相位差發(fā)生變化，引起檢測(cè)到后向瑞利散射光強(qiáng)變化。

基于瑞利散射的分布傳感技術(shù)包括OTDR、Φ-OTDR、POTDR、COTDR 等，如表1 所示。采用強(qiáng)度解調(diào)方式的OTDR 和POTDR 雖然具有定位精確、信號(hào)算法簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但需多次平均以提高信號(hào)的信噪比，因而導(dǎo)致系統(tǒng)的測(cè)量頻率響應(yīng)和靈敏度都難以提高；采用相位解調(diào)方式的Φ-OTDR 僅實(shí)現(xiàn)了探測(cè)光脈沖寬度范圍內(nèi)不同散射點(diǎn)之間的后向瑞利散射光干涉信號(hào)的相位解調(diào)，信號(hào)的信噪比不高；相位解調(diào)方式的COTDR 采用本振光與后向瑞利散射光干涉，光路及解調(diào)算法較復(fù)雜且對(duì)激光器性能要求較高。

表1 基于瑞利散射的分布式光纖傳感技術(shù)Table 1 Distributed optical fiber sensing technology based on Rayleigh scattering

2.3.1 OTDR 技術(shù)

OTDR 技術(shù)采用大功率的光脈沖注入傳感光纖，然后在同一端直接檢測(cè)沿光纖軸向向后傳輸?shù)娜鹄⑸涔夤β省Ｆ湓砣鐖D8 所示，將脈沖激光輸入待測(cè)光纖，因?yàn)楣饫w中的散射光功率正比于入射點(diǎn)的光功率，所以使用光電探測(cè)器檢測(cè)傳感光纖長(zhǎng)度方向傳輸?shù)南蚝笕鹄⑸涔夤β蔥25]，就可獲取沿光纖路徑上的傳輸信息[26]，通過(guò)檢測(cè)脈沖到達(dá)光電探測(cè)器的時(shí)間，就可以獲得光纖發(fā)生事件的位置信息。光時(shí)域反射計(jì)技術(shù)經(jīng)常應(yīng)用于光纖衰減、連接損耗、破裂點(diǎn)和裂紋的測(cè)量。1976年，Jensen[27]首次提出了后向瑞利散射用于測(cè)量光纖傳輸衰減特性，后向瑞利散射技術(shù)在連接損耗、熔接和斷點(diǎn)的測(cè)量方面得到了大力推廣。

圖8 OTDR 原理圖Figure 8 Schematic diagram of OTDR

2.3.2 Φ-OTDR 技術(shù)

Φ-OTDR 的光源為窄線寬激光器，探測(cè)光脈寬內(nèi)散射點(diǎn)之間的后向瑞利散射光干涉信號(hào)，是一種不同于OTDR 的新型分布式光纖傳感技術(shù)[28]，基本原理圖如圖9 所示。強(qiáng)相干性的脈沖光通過(guò)環(huán)形器注入到傳感光纖，當(dāng)外界干擾信號(hào)作用在傳感光纖某個(gè)位置區(qū)時(shí)，在此區(qū)域光纖內(nèi)的折射率變化引起后向瑞利散射光的相位隨之發(fā)生改變，從而導(dǎo)致后向瑞利散射干涉信號(hào)發(fā)生變化。傳感光纖上干擾信號(hào)的位置是由輸入光脈沖信號(hào)與接收到的信號(hào)之間的時(shí)延差決定的。

圖9 Φ-OTDR 原理圖Figure 9 Schematic diagram of Φ-OTDR

1993年，Taylor 等[29]提出了相位敏感型的OTDR（Φ-OTDR）技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)光纖弱折射率變化的檢測(cè)，因此大大提高了OTDR 系統(tǒng)的檢測(cè)靈敏度。2010年，Lan 等[30]提出了基于外差探測(cè)方案的移動(dòng)平均、差分的算法，降低了隨機(jī)噪聲并突出瑞利散射曲線差異，實(shí)現(xiàn)了探測(cè)范圍為1 km、空間分辨率為5 m 的分布式測(cè)量。

2011年，哈爾濱工程大學(xué)呂月蘭[31]從理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了折射率、激光頻率和脈寬變化時(shí)對(duì)Φ-OTDR 波形的影響機(jī)理；中科院上海光機(jī)所潘政清等[32]通過(guò)數(shù)字相干探測(cè)實(shí)現(xiàn)了瑞利散射光的相位實(shí)時(shí)解調(diào)。2012年，Qin[33]等為了提高系統(tǒng)性能，在系統(tǒng)中采用保偏器件實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)位置信號(hào)信噪比為7.6 dB、空間分辨率為1 m 的測(cè)量，并將系統(tǒng)的頻響提高到2.25 kHz。中科院上海光機(jī)所梁可楨[34]等在相位敏感光時(shí)域反射計(jì)的研究中采用了維納濾波、數(shù)字相干檢測(cè)技術(shù)，完成了傳感范圍為5 km、空間分辨率為5 m 的檢測(cè)。2013年，天津大學(xué)安陽(yáng)[35]等為了解決系統(tǒng)的偏振衰落現(xiàn)象，提出了基于瓊斯矩陣的雙光束干涉相位敏感OTDR 方案，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)長(zhǎng)度為5 km、空間分辨率為20 m、信噪比為9.5 dB 的測(cè)試。

2014年，北京航空航天大學(xué)李勤[36]等通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的定位機(jī)制的研究，提出了一種基于功率譜的定位方法，完成了檢測(cè)長(zhǎng)度為9 km、空間分辨率為100 m、信噪比為19.4 dB 的測(cè)試。電子科技大學(xué)彭正譜等[37]利用前向的一階拉曼放大及外差檢測(cè)，將系統(tǒng)的傳感距離提升至103 km，空間分辨率提升至15 m；中科院上海光機(jī)所潘政清等[38]在傳統(tǒng)的Φ-OTDR 基礎(chǔ)上，在聲光調(diào)制器進(jìn)行脈沖調(diào)制之前加入電光調(diào)制器，并將傳統(tǒng)的Φ-OTDR 中的單位光散射周期分割成4 個(gè)頻率的光，得到4 倍于傳統(tǒng)Φ-OTDR 的頻響；電子科技大學(xué)彭飛等[39]為了提高檢測(cè)距離，采用相干探測(cè)技術(shù)、分布式拉曼放大技術(shù)相結(jié)合的方案實(shí)現(xiàn)了空間分辨率為8 m 情況下的131.5 km 超長(zhǎng)距離的檢測(cè)。

2015年，山東省科學(xué)院激光研究所Wang 等[40]提出了基于Φ-OTDR 的自相干方案，通過(guò)3×3 耦合器解調(diào)算法解調(diào)出不同強(qiáng)度的聲波信號(hào)，該信號(hào)的強(qiáng)度正比于事件信號(hào)強(qiáng)度；南方科技大學(xué)Wu 等[41]用扁平光纖作為傳感器，提高了Φ-OTDR 的SNR 達(dá)35 dB，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)范圍為1.2 km，空間分辨率為5 m；東華大學(xué)Zhan[42]通過(guò)降低激光器的線寬和溫度補(bǔ)償?shù)姆桨?，?shí)現(xiàn)檢測(cè)范圍為16 km，空間分辨率為6 m，SNR 為16 dB。

2016年，上海交通大學(xué)Yang 等[43]通過(guò)相位補(bǔ)償方案降低Φ-OTDR 的檢測(cè)長(zhǎng)度，在傳感光纖30 km 處的瑞利散射事件信號(hào)SNR 達(dá)8 dB；北京航空航天大學(xué)Zhong 等[44]研究了脈沖寬度以及脈沖光的峰值功率對(duì)Φ-OTDR 系統(tǒng)參數(shù)的影響。南京大學(xué)Zhang 課題組[45]提出了同時(shí)檢測(cè)應(yīng)變和振動(dòng)的Φ-OTDR 方案，通過(guò)激光器的掃頻實(shí)現(xiàn)應(yīng)變的檢測(cè)，固定某一頻率實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)，在時(shí)間序列內(nèi)的OTDR 光強(qiáng)信號(hào)對(duì)光纖位置逐點(diǎn)進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT），得到了光纖位置處的振動(dòng)信號(hào)的頻譜，在距離為9 km 的傳感光纖上實(shí)現(xiàn)的空間分辨率為2 m，應(yīng)變測(cè)試精度為10 nε。

2018年，Wang 等[46]提出了基于Φ-OTDR 的分布式聲波傳感，分析了其線性特性，利用Golay 編碼解調(diào)了單脈沖響應(yīng)，有效消除了相干衰落并提高了傳感信號(hào)的信噪比。2019年，Lin 和Rao 等[47]通過(guò)理論推導(dǎo)解釋了相干衰落現(xiàn)象，并通過(guò)自由度選擇的方式建立獨(dú)立探測(cè)信道來(lái)抑制衰落現(xiàn)象。

2019年，Zhang 等[48]設(shè)計(jì)了相敏光時(shí)域反射計(jì)（Φ-OTDR）和拉曼光時(shí)域反射計(jì)（ROTDR）的一個(gè)混合分布式系統(tǒng)，可以同時(shí)重建沿傳感光纖的聲場(chǎng)和溫度場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)度為12 km、溫度不確定度為0.95?C、線性度為R2= 0.998 6 以及正弦振動(dòng)頻率為100 Hz 的同步測(cè)量。

2021年，Yu 等[49]提出了一種基于Φ-OTDR 和邁克爾遜干涉儀的分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了沿傳感光纖同時(shí)檢測(cè)多個(gè)振動(dòng)并正確解調(diào)振動(dòng)波形、頻率、位置和幅度，實(shí)現(xiàn)了6 000 m 處背景噪聲電平為?32 dB、SNR 為28.09 dB 的測(cè)量。

2.3.3 COTDR 技術(shù)

COTDR 采用穩(wěn)定性較高的強(qiáng)相干光源[50-52]，檢測(cè)系統(tǒng)本振光與后向瑞利散射光的干涉信號(hào)實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量。COTDR 原理結(jié)構(gòu)如圖10 所示，穩(wěn)定性較高的窄線寬激光器發(fā)出連續(xù)光。耦合器將激光分成兩束：一束光經(jīng)過(guò)聲光調(diào)制器（AOM）調(diào)制脈沖光序列，脈沖光序列通過(guò)一個(gè)光環(huán)形器后注入到被測(cè)光纖；另一束光作為本振光。脈沖光序列在被測(cè)光纖中產(chǎn)生后向瑞利散射信號(hào)，后向瑞利散射信號(hào)通過(guò)光環(huán)形器進(jìn)入一個(gè)耦合器與本振光形成外差相干，通過(guò)探測(cè)器檢測(cè)干涉信號(hào)，解調(diào)出中頻信號(hào)的功率，完成分布式傳感測(cè)試。

圖10 COTDR 原理結(jié)構(gòu)圖Figure 10 Schematic diagram of COTDR

1982年，英國(guó)電信實(shí)驗(yàn)室Healey 和Mayleon[53]首次提出基于外差相干的OTDR 系統(tǒng)，將峰值為5 μW、波長(zhǎng)為1.52 μm 的功率光脈沖注入到長(zhǎng)度為30 km 的探測(cè)光纖實(shí)現(xiàn)了全光纜的測(cè)量，這標(biāo)志著COTDR 的誕生。

2010年，加拿大Ottwa 大學(xué)Bao 團(tuán)隊(duì)[54]提出對(duì)后向散射光與參考光產(chǎn)生的拍頻信號(hào)進(jìn)行鎖相解調(diào)的方法，實(shí)現(xiàn)了空間分辨率為5 m、最高測(cè)量頻率為1 kHz 的測(cè)量。2015年，俄羅斯Leonid 等[55]提出了COTDR 改進(jìn)型的統(tǒng)計(jì)模型，能夠獲得后向瑞利散射信號(hào)的幅值、相位信息，并分析了幅值的譜特性、自相關(guān)特性以及相位信息的相關(guān)特性。2016年，上海交通大學(xué)何祖源團(tuán)隊(duì)[56]指出COTDR 中的本振光與后向瑞利散射光干涉會(huì)產(chǎn)生相位噪聲，用輔助參考點(diǎn)進(jìn)行相位噪聲補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)了傳感長(zhǎng)度為30 km、空間分辨率為10 m 的測(cè)量。電子科技大學(xué)饒?jiān)平璠57]團(tuán)隊(duì)提出了基于90?光混頻器的I/Q 零差解調(diào)檢測(cè)的COTDR 方案，本振光與后向瑞利散射光分別注入90?光混頻器生成精確的I/Q 信號(hào)，此方法有利于消除偏振衰落帶來(lái)的影響，實(shí)現(xiàn)了傳感范圍為12.56 km、空間分辨率為10 m 的系統(tǒng)測(cè)試。2017年，中科院上海光機(jī)所葉青、蔡海文團(tuán)隊(duì)[58]提出了基于相位解調(diào)雙脈沖的COTDR 方案，設(shè)計(jì)了時(shí)延可調(diào)的邁克爾遜干涉，將聲光調(diào)制器調(diào)制后的脈沖光變化為0/π 相位交替變化的雙脈沖，分別接受奇偶序列實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)信號(hào)的解調(diào)，實(shí)現(xiàn)了正弦、方波以及三角波信號(hào)的解調(diào)，信噪比達(dá)20 dB，在長(zhǎng)度為9.6 km 的傳感范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高達(dá)0.5 MHz 的擾動(dòng)信號(hào)的解調(diào)。2020年，Chen 等[59]提出了一種基于全數(shù)字正交相位碼脈沖的相干光時(shí)域反射計(jì)（COTDR）方案。用具有頻移和時(shí)移的全數(shù)字正交相位編碼脈沖作為探測(cè)光，此方案僅需單通道檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)表明在長(zhǎng)度為15.4 km 的光纖上可以較好地恢復(fù)波形信息。

在上述諸多COTDR 方案里，一般都需要后向瑞利散射光與本振光的卷積，激光器頻率穩(wěn)定性在COTDR 系統(tǒng)中是非常重要的。探測(cè)光信號(hào)在被測(cè)光纖中往返需要一定的時(shí)間，在此時(shí)間內(nèi)本振光的頻率發(fā)生了改變，導(dǎo)致外差中頻信號(hào)發(fā)生改變。如果頻率改變較大，中頻信號(hào)跳到帶通濾波器通帶以外會(huì)導(dǎo)致探測(cè)光信號(hào)的丟失，影響系統(tǒng)的測(cè)量精度。

2.3.4 POTDR 技術(shù)

POTDR 技術(shù)是一種測(cè)量光背向瑞利散射信號(hào)中偏振信息的技術(shù)，可用于測(cè)量沿光纖長(zhǎng)度方向的光纖中的偏振態(tài)分布，進(jìn)而完成分布式光纖傳感檢測(cè)。目前，POTDR 技術(shù)采用線偏振光測(cè)量的方法，為了保證最大注入光纖光功率，POTDR 系統(tǒng)需要偏振控制器，為了完成某偏振態(tài)光功率的檢測(cè)，系統(tǒng)一般還需起偏器和檢偏器[60-61]。

POTDR 系統(tǒng)的兩種測(cè)試結(jié)構(gòu)如圖11 和12 所示，兩種測(cè)試結(jié)構(gòu)的不同之處在于起偏器件和檢偏器件的使用位置。將起偏器件和檢偏器件與傳感光纖直接連接，這種結(jié)構(gòu)不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)注入光起偏，而且還實(shí)現(xiàn)了后向瑞利散射光檢偏。如圖12 所示，將起偏器放置于環(huán)形器的端口1 處，而檢偏器放置在環(huán)形器的端口3 處。

圖11 POTDR 方案1Figure 11 POTDR scheme 1

圖12 POTDR 方案2Figure 12 POTDR scheme 2

當(dāng)振動(dòng)信號(hào)作用在光纖上時(shí)，光纖的折射率變化導(dǎo)致了雙折射效應(yīng)，從而改變了光纖振動(dòng)點(diǎn)處的光偏振態(tài)，振動(dòng)點(diǎn)位之后的光纖內(nèi)的光偏振基本保持發(fā)生振動(dòng)以后的偏振態(tài)。后向瑞利散射是彈性散射，散射點(diǎn)的偏振態(tài)保持不變。當(dāng)振動(dòng)信號(hào)發(fā)生后，振動(dòng)前后的偏振態(tài)的光強(qiáng)將發(fā)生變化，POTDR 通過(guò)對(duì)比后向瑞利散射光強(qiáng)的變化就能分析出光纖所受振動(dòng)的位置，完成分布式振動(dòng)傳感的測(cè)量。

1981年，Rogers[59]首次將POTDR 技術(shù)應(yīng)用于場(chǎng)分布測(cè)量領(lǐng)域。在POTDR 系統(tǒng)里，如果傳感光纖周圍同時(shí)有多個(gè)振動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生，傳感光纖后面的振動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生的偏振態(tài)變化有較大的幾率會(huì)浸沒(méi)在首個(gè)振動(dòng)信號(hào)處的偏振態(tài)變化里，因此POTDR 系統(tǒng)有可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)同時(shí)發(fā)生時(shí)的多點(diǎn)定位。此外，光的偏振特性非常容易受到檢測(cè)環(huán)境中隨機(jī)因素的影響，從而導(dǎo)致POTDR 系統(tǒng)測(cè)量不穩(wěn)定，所以如何保持光信號(hào)還未注入傳感光纖時(shí)偏振態(tài)的穩(wěn)定是POTDR 技術(shù)急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

2.3.5 復(fù)合型分布式光纖傳感技術(shù)

2.3.5.1 并聯(lián)復(fù)合型分布式光纖傳感技術(shù)

并聯(lián)復(fù)合型分布式光纖傳感技術(shù)是指將Michelson、Mach-Zehnder、Sagnac 等光纖干涉儀與Φ-OTDR 系統(tǒng)并聯(lián)連接結(jié)合。兩套系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，其中光纖干涉儀負(fù)責(zé)解調(diào)外界擾動(dòng)事件信息的時(shí)頻信息（幅值、相位、頻率等相關(guān)信息）；Φ-OTDR 系統(tǒng)完成位置信息的解調(diào)。

2014年，重慶大學(xué)肖向輝[63]等為了實(shí)現(xiàn)高頻響和高空間分辨率的同時(shí)測(cè)量，提出了基于Michelson 干涉技術(shù)與Φ-OTDR 技術(shù)相結(jié)合的分布式測(cè)量方法，Michelson 干涉儀負(fù)責(zé)還原高頻率信號(hào)，后向瑞利散射信號(hào)負(fù)責(zé)定位振動(dòng)信號(hào)，該系統(tǒng)分別為Michelson 干涉儀和Φ-OTDR 系統(tǒng)提供了不同光波長(zhǎng)的連續(xù)光和脈沖光。在本方案的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，系統(tǒng)完成了最大頻響為8 MHz、空間分辨率為2 m 的振動(dòng)信號(hào)還原。

2016年，北京交通大學(xué)Liang[64]等提出了相位敏感光時(shí)域反射計(jì)（Φ-OTDR）和邁克爾遜干涉儀（MI）相結(jié)合的方案以降低報(bào)警率（NAR）；Φ-OTDR 和MI 采用波分復(fù)用的方式進(jìn)行工作，Φ-OTDR 提供位置信息，MI 干涉儀進(jìn)行頻域分析；通過(guò)Φ-OTDR 和MI 同時(shí)檢測(cè)到實(shí)際干擾時(shí)才會(huì)提供真實(shí)的報(bào)警。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)單個(gè)OTDRNAR 可以從13.5% 降低到1.2%，檢測(cè)概率高達(dá)92%。天津大學(xué)Shi[65]利用兩個(gè)不同波長(zhǎng)的窄線寬激光器作為Φ-OTDR和Mach-Zehnder 干涉儀（MZI）的光源組成反射儀和干涉儀，Φ-OTDR 完成事件的定位功能，MZI 實(shí)現(xiàn)事件頻率的解調(diào)，實(shí)現(xiàn)了1～50 MHz 寬頻率的檢測(cè)，在2.5 km 檢測(cè)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了20 m 的空間分辨率的檢測(cè)。

2.3.5.2 串聯(lián)復(fù)合型分布式光纖傳感技術(shù)

串聯(lián)復(fù)合型分布式光纖傳感技術(shù)是指Michelson、Mach-Zehnder、Sagnac 等光纖干涉儀與Φ-OTDR 系統(tǒng)串聯(lián)連接結(jié)合的技術(shù)，兩套系統(tǒng)合二為一，協(xié)調(diào)運(yùn)行。通過(guò)脈沖光的時(shí)間以及解調(diào)后向瑞利散射光的相位信息的解調(diào)，實(shí)現(xiàn)外界振動(dòng)事件時(shí)頻信息（幅值、相位、頻率）和位置的檢測(cè)。

2000年，Posey 和Johnson[66]等提出了后向散射技術(shù)與干涉儀技術(shù)復(fù)合型分布式光纖傳感系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了光纖不同位置處的后向瑞利散射光干涉，完成了干涉光的相位解調(diào)，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)長(zhǎng)度為400 m 的傳感實(shí)驗(yàn)。2004年，美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步研究改進(jìn)復(fù)合型干涉分布式光纖傳感系統(tǒng)[67]，完成了光纖長(zhǎng)度為180 m 的測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了在長(zhǎng)度為10 m 的傳感光纖上不同頻率（分別為800 Hz、1 000 Hz 和1 200 Hz）的振動(dòng)信號(hào)解調(diào)，并還原了振動(dòng)信號(hào)的幅度值。

2013年，南安普頓大學(xué)的Masoudi 等[68]利用非平衡Mach-Zehnder 干涉儀，在距離為1 km 的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了不同位置處不同頻率的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量，最小可探測(cè)應(yīng)變?yōu)?0 nε，并報(bào)道了該系統(tǒng)對(duì)聲波的響應(yīng)能力，相比之前的Φ-OTDR，其傳感性能邁進(jìn)了一大步。

2015年，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所Fang 等[70]提出了基于相敏光時(shí)域反射計(jì)（Φ-OTDR）和相位生成載波解調(diào)算法的分布式光纖傳感方案。在系統(tǒng)的接收端引入了不平衡的邁克爾遜干涉儀，含有擾動(dòng)信號(hào)的后向瑞利散射光將在邁克爾遜干涉儀里產(chǎn)生干涉。利用相位載波解調(diào)算法解調(diào)出瑞利散射信號(hào)的相位信息，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得Φ-OTDR 系統(tǒng)的噪聲電平約為3×10?3rad/Hz，信噪比約為30.45 dB，且Φ-OTDR 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了傳感長(zhǎng)度為10 km、空間分辨率為6 m 的實(shí)時(shí)測(cè)量。

近幾年來(lái)，研究人員將后向瑞利散射分布傳感技術(shù)與干涉儀技術(shù)相結(jié)合，提出了并聯(lián)、串聯(lián)復(fù)合型分布式光纖傳感技術(shù)，兩種技術(shù)的對(duì)比如表2 所示。

表2 復(fù)合型光纖分布式傳感技術(shù)Table 2 Composite optical fiber distributed sensing technology

3 結(jié) 語(yǔ)

本文詳細(xì)闡述了國(guó)內(nèi)外分布式傳感技術(shù)的研究進(jìn)展，重點(diǎn)分析了OTDR、Φ-OTDR、POTDR、COTDR 以及復(fù)合型分布式光纖傳感技術(shù)的基本原理及技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)。隨著分布式光纖傳感技術(shù)在傳感距離和傳感精度上的突破，其在周界安防、石油電力、大型結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域的安全監(jiān)控方面將發(fā)揮愈發(fā)重要的作用。