Φ-OTDR型分布式全光纖傳感器研究進展

施 羿，封 皓，曾周末

(天津大學精密測試技術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

(天津大學精密測試技術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相比于其他光纖傳感技術，具有探測范圍廣、定位可靠性好以及定位精度高的優勢。其中，相位型光時域反射(Φ-OTDR)技術更是具備了極高的探測靈敏度和動態響應能力，能夠實現實時振動信號檢測。該技術還具備在長距離管道監測、周界安防和結構健康監測等領域應用的潛質。但是傳統的Φ-OTDR系統由于響應頻率較低、探測信號失真等問題，無法全面滿足實際應用要求。近年來，在國內外廣大研究學者的努力下，Φ-OTDR技術實現了多方面的突破，逐漸走向成熟并成功實現現場應用。回顧了近20年來國內外Φ-OTDR技術方面的研究成果，總結和評價了Φ-OTDR技術在頻率響應能力提升、動態響應范圍提升、相位解調波形還原以及后期數字信號處理等方面所取得的研究進展，并對未來Φ-OTDR技術的應用與發展趨勢進行了展望。

Φ-OTDR； 分布式光纖傳感； 振動傳感； 頻率響應； 動態響應； 數字信號處理； 管道監測； 相位解調

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，實現對傳感光纖沿線物理變量的探測。光時域反射技術(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，實現對光纖沿線物理變量探測的技術。

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

1 Φ-OTDR技術

傳統OTDR技術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，只能響應如光纖彎曲、折射率突變等靜態事件，而對振動等動態事件無法響應。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所有背向瑞利散射光的干涉結果。Φ-OTDR基本結構如圖1所示。

圖1 Φ-OTDR基本結構圖

Φ-OTDR探測信號如圖2所示。

圖2 Φ-OTDR探測信號示意圖

當振動對光纖產生影響時，背向瑞利散射光的相位將隨著振動而改變，經過脈沖內干涉，將探測到變化的光強信號，從而實現動態檢測。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力狀態極其敏感，因此Φ-OTDR技術擁有極高的探測靈敏度。

優秀的動態響應能力和可靠的定位性能使得Φ-OTDR技術在出現后得到充分研究，并迅速向實用化和產業化發展。

2 研究熱點

Φ-OTDR擁有動態響應能力，但要實現現場應用，仍有許多問題需要解決，如頻率響應不足、探測結果失真等問題。這些問題也成為近年來Φ-OTDR領域的熱點問題。

2.1 提升頻率響應能力

由于Φ-OTDR采用反射式結構，其最大頻率響應能力(即頻率響應上限)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。當傳感長度為10 km時，頻率響應上限僅為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，學者們為提高Φ-OTDR的最大響應頻率，提出了多種改進結構。

2.1.1 干涉儀復用結構

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

2013年，Zhu Tao等[2]提出使用調制脈沖的方式。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。其改進的系統結構采用同向的一長一短兩個脈沖調制光作為探測信號光(窄脈沖和寬脈沖)。當傳感光纖感受到振動時，由窄脈沖產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變為光強變化。之后，在計算機中將所探測到的干涉儀信號經過快速傅里葉變換(fast Fourier transform,FFT)得到振動的頻率信息。但是，由于此結構中，調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量下降，需要仔細調節長短脈沖能量比例。

同年，He Qian等[3]提出另一種光路結構。該結構采用分時復用策略，分別實現M-Z干涉儀與Φ-OTDR的功能，將系統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，使信號質量得到提高。但是，由于采用分時復用結構，導致M-Z干涉儀的探測信號不連續，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波分復用結構，具體如圖3所示。

圖3 M-Z干涉儀與Φ-OTDR波分復用結構圖

通過波分復用的方式，能夠在保持Φ-OTDR良好信噪比的同時，獲得連續的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如圖4所示。

圖4 100 MHz采樣率下的高頻振動響應示意圖

2.1.2 多脈沖調制結構

另一種提高頻率響應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，成為該方案的關鍵。

2014年，He Qian等[5]提出使用驅動頻率分別為80 MHz和100 MHz的兩個聲光調制器(acoustic optical modulator,AOM)所產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。此方案可提高系統的整體頻率響應能力。

2015年，Wang Zhaoyong等[6]使用電光調制器(electro-optic modulator,EOM)進行精細的光頻控制，實現了逐步變頻脈沖組，完成了上述He Qian結構的進一步增強。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，相信隨著未來相應硬件技術的發展，基于該策略的系統結構將取得更好的性能。

2.2 擴大動態響應范圍

動態響應范圍，又可被稱為最大傳感距離，是指Φ-OTDR系統可接入傳感光纖的最大長度，動態范圍的值越大，即可測量的光纖鏈路也越長。考慮系統噪聲分布，可將動態范圍表達為：

(2)

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

從式(2)可以發現，想要提高Φ-OTDR系統的動態響應范圍，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動態范圍。但是很快研究人員便發現，當入射光峰值功率到達300 mW左右時，由于光纖內部的非線性效應(如自相位調制、受激布里淵散射等)，各個光脈沖的散射信號將不再重合，而是產生振蕩。若繼續增加入射光峰值功率，由于入射光能量被非線性效應快速消耗，導致系統噪聲迅速上升，從而無法提高動態范圍。

2.2.2 提高光電探測效率

由于瑞利散射系數小(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換為電信號。這種方案結構簡單，但所探測的光強信號較微弱，信噪比較低。之后，有學者[5-6]將外差探測引入Φ-OTDR系統，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，產生高頻的拍頻信號，再由高速光電探測器轉換為電信號，之后經過降頻和解調提取所需信息。相比于直接探測，外差探測的信噪比較高，但結構更為復雜，且需要高速光電轉化和高速濾波電路，成本相對較高。另一方面，由于本振光偏振態是不變的，而瑞利散射光的偏振態是隨著反射中心而變化的，因此在某些特定點會出現嚴重的偏振狀態導致的信號衰落，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Φ-OTDR系統中，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非線性效應的限制。因此，研究學者們轉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，進而提高系統動態響應范圍。

2009年，饒云江等[7]首次將雙向分布式拉曼放大技術引入Φ-OTDR系統，通過拉曼效應分布式放大探測光，使得光功率在整個傳感范圍內將持續保持較高值，但又不超過非線性效應閾值，避免了非線性效應，使得探測距離得到極大的提高。現場測試表明，其系統探測距離達到62 km，已經能滿足大多數長距離探測應用，如油氣管道監測、周界安防檢測等。之后，通過對拉曼泵浦功率的優化[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，導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 實現相位解調及振動波形還原

在Φ-OTDR系統中，利用相干瑞利散射將振動引起的光相位變化轉化為光強度變化，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，實現振動波形還原。

2013年，Masoudi A等[12]使用3×3耦合器構成干涉解調儀，實現了瑞利散射光的相位解調。試驗結果表明，解調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構，同時保證干涉儀恒溫的工作條件，結構較為復雜。

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

時域調制雙脈沖法，是將單一的輸入脈沖改為輸入脈沖對，通過相位調制使得脈沖對內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合解調，得到相位信息，提高系統對噪聲的抑制能力。

此方案的優點是引入對稱解調，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，為了滿足對稱解調的需要，對三種脈沖對的一致性要求大幅增加，系統的抗干擾性較差，不適合現場應用。

頻域調制雙脈沖法，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，該方案的解調信號中始終存在一個相位誤差值。在精確測量應用中，需注意該誤差項。

2016年，Wang Z等[15]進一步簡化硬件結構，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I/Q正交解調，從而快速、低廉地實現瑞利散射光的相位解調。該方案硬件結構較為簡單，但解調效果很大程度上受到相移器性能的影響。

2.4 數字信號處理-信號優化

信號處理是Φ-OTDR系統的重要組成部分。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過多次疊加才能得到穩定的曲線。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據，在不大幅降低頻率響應能力的情況下，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系統的標準處理手段，是很多改進型算法的基礎。

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，使得系統信噪比得到進一步加強。由于引入小波降噪，使得更不穩定的短脈沖(<1 ns)可以應用于Φ-OTDR系統，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圖像復原技術，成功實現了近100倍的信噪比提升。

通過數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信號識別將一直是Φ-OTDR技術研究的熱點。

3 結束語

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

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

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

SHI Yi，FENG 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、信號分析與處理、測控技術與儀器的研究。 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、測控技術與儀器、智能傳感器的研究和教學工作。 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