Φ-OTDR型分布式全光纖傳感器研究進展

施 羿，封 皓，曾周末

(天津大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室，天津 300072)

Φ-OTDR型分布式全光纖傳感器研究進展

施 羿，封 皓，曾周末

(天津大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室，天津 300072)

光時域反射型分布式全光纖傳感技術(shù)相比于其他光纖傳感技術(shù)，具有探測范圍廣、定位可靠性好以及定位精度高的優(yōu)勢。其中，相位型光時域反射(Φ-OTDR)技術(shù)更是具備了極高的探測靈敏度和動態(tài)響應(yīng)能力，能夠?qū)崿F(xiàn)實時振動信號檢測。該技術(shù)還具備在長距離管道監(jiān)測、周界安防和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等領(lǐng)域應(yīng)用的潛質(zhì)。但是傳統(tǒng)的Φ-OTDR系統(tǒng)由于響應(yīng)頻率較低、探測信號失真等問題，無法全面滿足實際應(yīng)用要求。近年來，在國內(nèi)外廣大研究學(xué)者的努力下，Φ-OTDR技術(shù)實現(xiàn)了多方面的突破，逐漸走向成熟并成功實現(xiàn)現(xiàn)場應(yīng)用?；仡櫫私?0年來國內(nèi)外Φ-OTDR技術(shù)方面的研究成果，總結(jié)和評價了Φ-OTDR技術(shù)在頻率響應(yīng)能力提升、動態(tài)響應(yīng)范圍提升、相位解調(diào)波形還原以及后期數(shù)字信號處理等方面所取得的研究進展，并對未來Φ-OTDR技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展趨勢進行了展望。

Φ-OTDR； 分布式光纖傳感； 振動傳感； 頻率響應(yīng)； 動態(tài)響應(yīng)； 數(shù)字信號處理； 管道監(jiān)測； 相位解調(diào)

0 引言

分布式全光纖傳感器(distributed optical fiber sensor，DOFS)以光纖為傳感元件和傳輸介質(zhì)，實現(xiàn)對傳感光纖沿線物理變量的探測。光時域反射技術(shù)(optical time domain reflectometer,OTDR)是通過向傳感光纖注入探測脈沖光，通過探測和分析背向散射光，實現(xiàn)對光纖沿線物理變量探測的技術(shù)。

根據(jù)傳統(tǒng)OTDR-DOFS原理和結(jié)構(gòu)，提出許多新型的傳感原理和傳感結(jié)構(gòu)，如基于相位敏感的Φ-OTDR技術(shù)、基于偏振敏感的P-OTDR技術(shù)、基于布里淵散射的B-OTDR技術(shù)等。Φ-OTDR通過使用強相干光源，使得背向瑞利散射光能進行穩(wěn)定干涉，從而具備動態(tài)響應(yīng)能力和極高的探測靈敏度，近年來得到了許多研究學(xué)者的關(guān)注。本文對近20年來Φ-OTDR技術(shù)的研究、發(fā)展和應(yīng)用情況進行了回顧，并對Φ-OTDR技術(shù)的發(fā)展趨勢和應(yīng)用前景提出了展望。

1 Φ-OTDR技術(shù)

傳統(tǒng)OTDR技術(shù)通過檢測探測脈沖光的背向瑞利散射光的光強來感知光纖沿線狀態(tài)，只能響應(yīng)如光纖彎曲、折射率突變等靜態(tài)事件，而對振動等動態(tài)事件無法響應(yīng)。Taylor等[1]于1993年提出使用超窄線寬激光器作為光源，從而使得探測的光強信號是脈沖內(nèi)所有背向瑞利散射光的干涉結(jié)果。Φ-OTDR基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 Φ-OTDR基本結(jié)構(gòu)圖

Φ-OTDR探測信號如圖2所示。

圖2 Φ-OTDR探測信號示意圖

當(dāng)振動對光纖產(chǎn)生影響時，背向瑞利散射光的相位將隨著振動而改變，經(jīng)過脈沖內(nèi)干涉，將探測到變化的光強信號，從而實現(xiàn)動態(tài)檢測。由于振動信息搭載在散射光的相位上，而光相位對于光纖形變與光纖應(yīng)力狀態(tài)極其敏感，因此Φ-OTDR技術(shù)擁有極高的探測靈敏度。

優(yōu)秀的動態(tài)響應(yīng)能力和可靠的定位性能使得Φ-OTDR技術(shù)在出現(xiàn)后得到充分研究，并迅速向?qū)嵱没彤a(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

2 研究熱點

Φ-OTDR擁有動態(tài)響應(yīng)能力，但要實現(xiàn)現(xiàn)場應(yīng)用，仍有許多問題需要解決，如頻率響應(yīng)不足、探測結(jié)果失真等問題。這些問題也成為近年來Φ-OTDR領(lǐng)域的熱點問題。

2.1 提升頻率響應(yīng)能力

由于Φ-OTDR采用反射式結(jié)構(gòu)，其最大頻率響應(yīng)能力(即頻率響應(yīng)上限)受到最大傳感距離的限制：

(1)

式中：vg為光纖中光速；L為最大傳感距離。當(dāng)傳感長度為10 km時，頻率響應(yīng)上限僅為500 Hz。這對于某些振動事件，如人工挖掘，是遠遠不夠的。近20年來，學(xué)者們?yōu)樘岣擀?OTDR的最大響應(yīng)頻率，提出了多種改進結(jié)構(gòu)。

2.1.1 干涉儀復(fù)用結(jié)構(gòu)

光纖干涉儀同時具有動態(tài)響應(yīng)能力和極高的頻率響應(yīng)能力，但定位能力較差，與Φ-OTDR技術(shù)正好成為互補。

2013年，Zhu Tao等[2]提出使用調(diào)制脈沖的方式。該方式將馬赫-曾德干涉儀(M-Z干涉儀)與Φ-OTDR相結(jié)合，其探測頻率范圍為10 Hz～3 MHz，探測距離1 064 m。其改進的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用同向的一長一短兩個脈沖調(diào)制光作為探測信號光(窄脈沖和寬脈沖)。當(dāng)傳感光纖感受到振動時，由窄脈沖產(chǎn)生的瑞利背向散射光將直接感知振動的位置信息。而寬脈沖則在傳感光纖尾端與參考光相干涉，形成M-Z干涉儀，將光相位攜帶的高頻振動信息轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈴娮兓?。之后，在計算機中將所探測到的干涉儀信號經(jīng)過快速傅里葉變換(fast Fourier transform,FFT)得到振動的頻率信息。但是，由于此結(jié)構(gòu)中，調(diào)制的長脈沖在傳感光纖中引入了強的背景散射光，使得Φ-OTDR所得到的散射信號質(zhì)量下降，需要仔細調(diào)節(jié)長短脈沖能量比例。

同年，He Qian等[3]提出另一種光路結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)采用分時復(fù)用策略，分別實現(xiàn)M-Z干涉儀與Φ-OTDR的功能，將系統(tǒng)的探測頻率上限提高到6.3 MHz，探測距離為1 150 m。由于系統(tǒng)使用分時方式隔離干涉信號與散射信號，信號之間不會相互干擾，使信號質(zhì)量得到提高。但是，由于采用分時復(fù)用結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致M-Z干涉儀的探測信號不連續(xù)，無法得到完整的振動信號。

2016年，本課題組Shi Yi等[4]提出使用一種雙光源M-Z干涉儀與Φ-OTDR波分復(fù)用結(jié)構(gòu)，具體如圖3所示。

圖3 M-Z干涉儀與Φ-OTDR波分復(fù)用結(jié)構(gòu)圖

通過波分復(fù)用的方式，能夠在保持Φ-OTDR良好信噪比的同時，獲得連續(xù)的M-Z干涉儀信號，從而能夠得到完整的振動信號。測試表明，其頻率響應(yīng)上限幾乎僅受制于采集硬件的采樣速度。在100 MHz的采樣頻率下，得到的高頻振動響應(yīng)如圖4所示。

圖4 100 MHz采樣率下的高頻振動響應(yīng)示意圖

2.1.2 多脈沖調(diào)制結(jié)構(gòu)

另一種提高頻率響應(yīng)的思路則是通過頻繁地注入脈沖，從而使采樣點更加密集，進而提高響應(yīng)頻率上限。但是，脈沖注入間隔變短，將引起瑞利散射曲線重疊。因此，如何有效避免或消除瑞利散射曲線的重疊問題，成為該方案的關(guān)鍵。

2014年，He Qian等[5]提出使用驅(qū)動頻率分別為80 MHz和100 MHz的兩個聲光調(diào)制器(acoustic optical modulator,AOM)所產(chǎn)生的脈沖對來替代單一的輸入脈沖；在光電接收端通過解調(diào)手段，同時分別獲得兩個脈沖的瑞利散射信號；再在計算機中將兩條瑞利散射曲線合并，得到最終探測信號。此方案可提高系統(tǒng)的整體頻率響應(yīng)能力。

2015年，Wang Zhaoyong等[6]使用電光調(diào)制器(electro-optic modulator,EOM)進行精細的光頻控制，實現(xiàn)了逐步變頻脈沖組，完成了上述He Qian結(jié)構(gòu)的進一步增強。在試驗中，其通過一次注入100個脈沖，每個脈沖之間，光頻率僅相差1.5 MHz，成功在9.6 km探測光纖上檢測到了0～500 kHz的掃頻振動信號。

脈沖組探測方案，一方面，光頻率的不同將引入系統(tǒng)誤差，因此頻率上下限差距不易過大；另一方面，為了得到良好信噪比，頻率間隔不宜過小。目前，其最小頻率間隔主要受光電探測器以及頻率分辨電路的性能制約，相信隨著未來相應(yīng)硬件技術(shù)的發(fā)展，基于該策略的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將取得更好的性能。

2.2 擴大動態(tài)響應(yīng)范圍

動態(tài)響應(yīng)范圍，又可被稱為最大傳感距離，是指Φ-OTDR系統(tǒng)可接入傳感光纖的最大長度，動態(tài)范圍的值越大，即可測量的光纖鏈路也越長?？紤]系統(tǒng)噪聲分布，可將動態(tài)范圍表達為：

(2)

式中：P0為首端散射光功率;PD為光電探測器可響應(yīng)的最小光功率；Z為傳輸損耗；C為系統(tǒng)中的其他損耗，如耦合器損耗、插入損耗等；SNR為振動信號的信噪比。

從式(2)可以發(fā)現(xiàn)，想要提高Φ-OTDR系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)范圍，可以從以下幾個方面入手。

2.2.1 提高探測光功率

在早期研究中，入射光功率較低，研究人員可以通過提高光源功率以提高系統(tǒng)動態(tài)范圍。但是很快研究人員便發(fā)現(xiàn)，當(dāng)入射光峰值功率到達300 mW左右時，由于光纖內(nèi)部的非線性效應(yīng)(如自相位調(diào)制、受激布里淵散射等)，各個光脈沖的散射信號將不再重合，而是產(chǎn)生振蕩。若繼續(xù)增加入射光峰值功率，由于入射光能量被非線性效應(yīng)快速消耗，導(dǎo)致系統(tǒng)噪聲迅速上升，從而無法提高動態(tài)范圍。

2.2.2 提高光電探測效率

由于瑞利散射系數(shù)小(0.15 dB/km)，入射光功率也較低(峰值功率200 mW左右)，需要使用微弱光光電轉(zhuǎn)化器件，如PIN探測器、雪崩APD探測器、平衡探測器等。早期研究中，通常使用直接檢測的方式進行散射光探測。直接檢測是直接利用光電探測器將瑞利散射光轉(zhuǎn)換為電信號。這種方案結(jié)構(gòu)簡單，但所探測的光強信號較微弱，信噪比較低。之后，有學(xué)者[5-6]將外差探測引入Φ-OTDR系統(tǒng)，以有效提高光電探測器處的光功率，抑制探測器噪聲，提高探測信號的信噪比。

在外差檢測中，將部分光源發(fā)出的光作為本振光，在探測器前，將本振光與瑞利散射光相干涉，產(chǎn)生高頻的拍頻信號，再由高速光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號，之后經(jīng)過降頻和解調(diào)提取所需信息。相比于直接探測，外差探測的信噪比較高，但結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，且需要高速光電轉(zhuǎn)化和高速濾波電路，成本相對較高。另一方面，由于本振光偏振態(tài)是不變的，而瑞利散射光的偏振態(tài)是隨著反射中心而變化的，因此在某些特定點會出現(xiàn)嚴(yán)重的偏振狀態(tài)導(dǎo)致的信號衰落，進而影響定位能力。在需要同時進行多點探測的場合，這是不利的，此時更適合使用直接探測法。

2.2.3 補償傳輸損耗

在傳統(tǒng)Φ-OTDR系統(tǒng)中，通過在探測光入射端使用摻餌光纖放大器(erbium-doped fiber amplifier,EDFA)進行光功率的點式集中放大，使得入射功率受到光纖內(nèi)非線性效應(yīng)的限制。因此，研究學(xué)者們轉(zhuǎn)而尋求分布式的放大方式，力求在傳感光纖沿線保持光功率水平，進而提高系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)范圍。

2009年，饒云江等[7]首次將雙向分布式拉曼放大技術(shù)引入Φ-OTDR系統(tǒng)，通過拉曼效應(yīng)分布式放大探測光，使得光功率在整個傳感范圍內(nèi)將持續(xù)保持較高值，但又不超過非線性效應(yīng)閾值，避免了非線性效應(yīng)，使得探測距離得到極大的提高。現(xiàn)場測試表明，其系統(tǒng)探測距離達到62 km，已經(jīng)能滿足大多數(shù)長距離探測應(yīng)用，如油氣管道監(jiān)測、周界安防檢測等。之后，通過對拉曼泵浦功率的優(yōu)化[8]，傳輸距離提高到74 km。

雙向拉曼泵浦的分布式放大克服了光纖中非線性效應(yīng)的限制，但是拉曼泵浦光和探測光波長相差約100 nm(1 550 nm探測光下)，泵浦光波長并不在光纖的低損耗窗口內(nèi)，導(dǎo)致注入的泵浦光功率需要達到1 W以上。為了降低泵浦功率，2014年，Wang Z N等[9]提出使用布里淵泵浦光。布里淵泵浦光波長與探測光波長僅相差0.8 nm(1 550 nm探測光下)，其光功率轉(zhuǎn)化效率是拉曼泵浦的1 000倍。試驗表明，布里淵泵浦的初始功率僅需6.4dBm，即可達到28 dBm拉曼泵浦的效果，探測距離增長到100 km。之后，Martins H F等[10]通過引入二階拉曼泵浦，進一步提高泵浦光的利用率，使得探測光功率的分布更加均勻，探測距離提升至125 km。最后，Wang等[11]結(jié)合一階拉曼泵浦、二階拉曼泵浦和布里淵泵浦，通過拉曼泵浦光同時對布里淵泵浦光和探測光進行衰減補償，將探測距離提升至175 km，同時，探測光功率在光纖沿線的分布也更加均勻。

2.3 實現(xiàn)相位解調(diào)及振動波形還原

在Φ-OTDR系統(tǒng)中，利用相干瑞利散射將振動引起的光相位變化轉(zhuǎn)化為光強度變化，這一過程使得檢測散射光相位成為可能。但是，由于這一過程并非線性，容易導(dǎo)致檢測信號失真。為了得到原始的振動信號，采用光強信號進行相位解調(diào)，實現(xiàn)振動波形還原。

2013年，Masoudi A等[12]使用3×3耦合器構(gòu)成干涉解調(diào)儀，實現(xiàn)了瑞利散射光的相位解調(diào)。試驗結(jié)果表明，解調(diào)后相位波形與所施加振動波形一致。但是，該方案需要額外搭建干涉儀結(jié)構(gòu)，同時保證干涉儀恒溫的工作條件，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

Alekseev A E等[13-14]則分別在2014年以及2015年提出使用時域調(diào)制雙脈沖法以及頻域調(diào)制雙脈沖法來實現(xiàn)相位解調(diào)，以及振動強度和波形的定量檢測。

時域調(diào)制雙脈沖法，是將單一的輸入脈沖改為輸入脈沖對，通過相位調(diào)制使得脈沖對內(nèi)的兩個脈沖之間獲得0、120°和-120°的相位差，通過對三種脈沖對的瑞利散射曲線的聯(lián)合解調(diào)，得到相位信息，提高系統(tǒng)對噪聲的抑制能力。

此方案的優(yōu)點是引入對稱解調(diào)，可以直接得到振動所引起的相位變化信息，并且有效避免瑞利散射中信噪比衰落的問題。但是，為了滿足對稱解調(diào)的需要，對三種脈沖對的一致性要求大幅增加，系統(tǒng)的抗干擾性較差，不適合現(xiàn)場應(yīng)用。

頻域調(diào)制雙脈沖法，是將注入脈沖對分別進行頻率偏移，得到頻率不同的兩個脈沖組成的脈沖對。但是，該方案的解調(diào)信號中始終存在一個相位誤差值。在精確測量應(yīng)用中，需注意該誤差項。

2016年，Wang Z等[15]進一步簡化硬件結(jié)構(gòu)，提出在光路中加入零差檢測以及90°的相移器，在光路層面實現(xiàn)I/Q正交解調(diào)，從而快速、低廉地實現(xiàn)瑞利散射光的相位解調(diào)。該方案硬件結(jié)構(gòu)較為簡單，但解調(diào)效果很大程度上受到相移器性能的影響。

2.4 數(shù)字信號處理-信號優(yōu)化

信號處理是Φ-OTDR系統(tǒng)的重要組成部分。通過合適的信號處理手段，可以廉價而有效地提高系統(tǒng)信噪比；通過合適的信號提取手段，可以更充分地利用瑞利散射光所攜帶的信息。

由于噪聲(如雜散光、光源噪聲、電噪聲等)的影響，瑞利散射曲線需要經(jīng)過多次疊加才能得到穩(wěn)定的曲線。2010年，Lu Yue等[16]基于Φ-OTDR探測原理，提出移動平均算法和移動差分算法來處理數(shù)據(jù)，在不大幅降低頻率響應(yīng)能力的情況下，有效提高處理后信號的信噪比。其算法處理效果好、運算速度快，是Φ-OTDR系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)處理手段，是很多改進型算法的基礎(chǔ)。

同年，為了更好地解決脈沖光峰值功率波動引入的探測噪聲，Qin Zeng等[17]又引入小波降噪措施，使得系統(tǒng)信噪比得到進一步加強。由于引入小波降噪，使得更不穩(wěn)定的短脈沖(<1 ns)可以應(yīng)用于Φ-OTDR系統(tǒng)，其試驗得到了0.5 m的空間分辨率。

2013年，Zhu T等[18]提出一種基于2D圖像邊緣檢測的信號處理方法，在50 ns的脈沖寬度下得到了3 m的空間分辨率，有效提高了Φ-OTDR系統(tǒng)的探測效率。

2016年，Soto M A等[19]提出利用探測跡線之間的冗余性，在時空圖上使用2D或3D圖像復(fù)原技術(shù)，成功實現(xiàn)了近100倍的信噪比提升。

通過數(shù)字信號處理手段提升信噪比、提高空間分辨率、提取深度信息和實現(xiàn)信號識別將一直是Φ-OTDR技術(shù)研究的熱點。

3 結(jié)束語

本文回顧了近20年來Φ-OTDR系統(tǒng)的研究熱點和最新研究新進展，包括提升最大頻率響應(yīng)能力、提升動態(tài)響應(yīng)能力、實現(xiàn)相位解調(diào)、信號還原等研究熱點，以及數(shù)字信號處理等輔助手段研究。

Φ-OTDR的優(yōu)勢在于可多點同時定位、感知靈敏度極高。一方面，可以應(yīng)用于長距離的監(jiān)測，如油氣管道、周界防等；另一方面，也可以應(yīng)用于精密測振，如結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、聲發(fā)射探頭等。雖然目前的研究極大地提高了Φ-OTDR系統(tǒng)的探測能力，但是在實用化之前，仍然還有許多亟待解決的問題：①在現(xiàn)實應(yīng)用中，如何通過精確測量振動，實現(xiàn)振動事件類別識別；②在長距離環(huán)境下，如何有效排除風(fēng)、雨等自然環(huán)境對光纖造成的干擾；③在精密測量和定量檢測中，如何解決解調(diào)系統(tǒng)在現(xiàn)場環(huán)境下的應(yīng)用與可靠性問題。

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Research Progress of Distributed Optical Fiber Sensors
Based on Φ-OTDR Structure

SHI Yi，F(xiàn)ENG Hao，ZENG Zhoumo
(State Key Laboratory for Precision Measurement Technology and Instrument,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

Compared with other optical fiber sensing techniques,the optical time domain reflectometry distributed optical fiber sensing technique (OTDR-DOFS) has many advantages,such as larger detective scale,better locating reliability and more accurate locating accuracy. In addition,OTDR-DOFS technique features higher detection sensitivity and dynamic response capability,so it can detect vibration signals in real time; and it is extremely suitable for long distance pipeline monitoring,perimeter security and structural health monitoring areas. However,traditional Φ-OTDR has some disadvantages,such as low response frequency and detected signal distortion,etc.,so it cannot meet the whole requirements of practical application. In recent years,thanks for the majority of research scholars working hard at home and abroad,the Φ-OTDR technique achieves a variety of breakthroughs,and is gradually matured and employed in field applications. The research achievements of Φ-OTDR technique in the last twenty years are reviewed,and the research progress of the hotspots of this technique is summarized and evaluated,which includes the improvement of frequency response capability,enlargement of dynamic detection range,restoration of phase-demodulation waveform,and post-processing of digital signals; and the developing trend of Φ-OTDR technique and its application in future is forecasted.

Φ-OTDR; Distributed fiber sensing; Vibration sensing; Frequency response; Dynamic response; Digital signal processing; Pipeline monitoring； Phase demodulation

國家自然科學(xué)青年基金資助項目(61304244)、教育部基金資助項目(20130032120066)、教育部博士點基金資助項目(20130032130001)

施羿(1990—)，男，在讀博士研究生，主要從事光纖傳感技術(shù)、信號分析與處理、測控技術(shù)與儀器的研究。 E-mail:shy_xflx@163.com。 封皓(通信作者)，男，博士，副教授，主要從事光纖傳感、測控技術(shù)與儀器、智能傳感器的研究和教學(xué)工作。 E-mail:fenghao@tju.edu.cn。

TH701；TP212

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201707018

修改稿收到日期:2017-03-22