基于Φ-OTDR的海光纜擾動監(jiān)測技術(shù)原理及研究進展*

何成波，吳學智，隗小斐

（海軍工程大學 電子工程學院，湖北 武漢 430033）

0 引 言

海底光纜通信具有傳輸距離遠、容量大、損耗低、可靠性高，以及抗干擾和保密性好的優(yōu)點，是國際、洲際之間，大陸與島嶼，島嶼之間通信的主要技術(shù)手段[1]。近年來，海底光纜還被廣泛應用于海底科學觀測，軍事、海防通信，海洋資源開發(fā)等領(lǐng)域，仍會維持較高市場增長率[2]。隨著海上運輸、漁業(yè)捕撈、軍事活動等人為導致的海光纜阻斷事故頻繁發(fā)生，經(jīng)濟損失巨大，嚴重影響我國國際通信安全[3]。發(fā)展海光纜監(jiān)測技術(shù)，對實現(xiàn)海光纜故障預警及安全防護，有效提高海光纜通信可靠性，十分必要。

傳統(tǒng)的故障定位方法是使用光時域反射儀（Optical Time Domain Reflectometer，OTDR） 測試無中繼海光纜，相干光時域反射儀（Coherent Optical Time Domain Reflectometer，C-OTDR）測試長距離有中繼海光纜中的后向瑞利散射光強，來判斷非正常衰減和菲涅爾反射等現(xiàn)象并迅速故障定位。也有通過監(jiān)測海光纜保護套破損來監(jiān)測海光纜侵害故障[4]。但這些方法都是在海光纜阻斷事故發(fā)生后進行故障定位，沒有預警功能。為了監(jiān)測海光纜阻斷隱患，提前采取措施，防止阻斷事故發(fā)生，人們提出了基于雙M-Z（馬赫－曾德爾）光纖振動傳感技術(shù)的海底光纜應力監(jiān)測系統(tǒng)，研究了布里淵散射光時域反射技術(shù)（BrillouinOptical Time Domain Reflectometry，BOTDR）的海光纜監(jiān)測、基于C-OTDR的海光纜安全監(jiān)測技術(shù)以及基于相位敏感光時域反射技術(shù)（Phase-Sensitive Optical Time Domain Reflectometry，Φ-OTDR）海光纜擾動監(jiān)測技術(shù)[5-8]。這些技術(shù)通過監(jiān)測海光纜的溫度、應力和擾動信息達到提前預警的目的。相位敏感光時域反射技術(shù)（Φ-OTDR）以其監(jiān)測距離遠，靈敏度高，不需形成回路等優(yōu)勢成為海光纜監(jiān)測技術(shù)研究的重點。

1 基于Φ-OTDR的安全監(jiān)測技術(shù)

Φ-OTDR由美國TAMU的Taylor和Lee提出，目前已經(jīng)發(fā)展成在周界安全防護，光纜監(jiān)測，管道線路監(jiān)測等領(lǐng)域廣泛應用的分布式振動傳感技術(shù)。

1.1 Φ-OTDR技術(shù)基本原理

光纖由于制作工藝原因造成的密度不均勻，導致光在光纖中傳播發(fā)生瑞利散射現(xiàn)象。除了沿光纖長度方向外的瑞利散射光都會迅速衰減消失。OTDR技術(shù)的基本原理就是通過向光纖中注入探測信號，采集被測光纖中探測信號的后向瑞利散射信號的衰減信息，完成對光纖沿長度方向損耗分布測量。Φ-OTDR傳感系統(tǒng)與傳統(tǒng)OTDR不同的是，采用了窄線寬相干光作為探測光。Φ-OTDR光纖振動傳感系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。當被測光纖受外界擾動后，由于彈光效應，被測光纖的相應位置的長度和折射率發(fā)生變化，引起了探測光后向瑞利散射光的相位變化，從而被測光纖的擾動信息被系統(tǒng)探測采集。

圖1 Φ-OTDR光纖振動傳感系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

1.2 Φ-OTDR傳感系統(tǒng)主要性能指標

評價Φ-OTDR傳感系統(tǒng)的主要性能指標有，信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）、空間分辨率（Spatial Resolution，SR）、動態(tài)范圍（Dynamic Range DR)、響應頻率以及傳感距離。

信噪比（SNR）是傳感系統(tǒng)探測光的瑞利散射光強度與噪聲光強度的比值。用Ps表示探測光后向瑞利散射光強，用Pn表示噪聲光強，則SNR=101g(Ps/Pn)SNR是表征系統(tǒng)傳感質(zhì)量的重要指標。因為光在光纖內(nèi)傳播呈指數(shù)衰減，通常SNR也隨著傳感距離增加而降低。

空間分辨率（SR）是表示系統(tǒng)可以探測出被測光纖上兩個擾動點之間最小距離。用Tp表示探測脈沖時間寬度，n表示光纖折射率，c表示光在真空中的速度，則傳感系統(tǒng)的空間分辨率可表示為

由式（1），Tp越小，空間分辨率越精確，但減小Tp，會降低系統(tǒng)頻率響應性能。實際上，系統(tǒng)SR還受到A/D轉(zhuǎn)換頻率和光電探測器帶寬的限制。

動態(tài)范圍（DR）是探測光在光纖始端的后向瑞利散射光和噪聲光功率峰值之差，是系統(tǒng)主要性能指標，決定了系統(tǒng)的探測距離。用Pso表示光纖始端探測光后向瑞利散射光功率，Pnmax表示噪聲光功率峰值。則動態(tài)范圍可表示為

實際上動態(tài)范圍也可用式（3）表示，其中Sr表示光捕獲因子，α表示光纖傳輸損耗，C表示系統(tǒng)接收后向散射信號的損耗，SNIR表示信號處理后動態(tài)范圍的提升量。

響應頻率是指系統(tǒng)可以探測到被測光纖受到擾動的頻率范圍。用L表示被測光纖長度，vg表示探測光傳播群速度，fp探測光脈沖重復頻率，為避免探測脈沖發(fā)生混疊，有

探測光頻率決定了擾動信息的探測頻率，由奈奎斯特采樣定理，有系統(tǒng)可探測擾動頻率最大值fmax滿足式（5）

可探測最小擾動頻率由系統(tǒng)中存在的噪聲決定。傳感距離表示系統(tǒng)可以感知的最大長度，是光纜、電纜、管道監(jiān)測等應用中人們非常重視性能指標。傳感距離通常由系統(tǒng)SNR和探測光功率決定，同時又和探測光脈沖時間寬度有關(guān)。為了避免后向瑞利散射信號混疊，系統(tǒng)探測距離應滿足式（6）。

由式（6），降低fp可以有效增加傳感距離，但由式（5）可知系統(tǒng)的響應頻率也會隨之降低，損害了系統(tǒng)的綜合性能。

1.3 Φ-OTDR技術(shù)研究進展

自Φ-OTDR技術(shù)問世，各種不同的技術(shù)和數(shù)據(jù)處理方法被用來改進Φ-OTDR技術(shù)性能，極大地推進了Φ-OTDR技術(shù)的發(fā)展和實際應用。

1.3.1 提高信噪比

早期提高Φ-OTDR系統(tǒng)SNR的方法是提高探測脈沖光的峰值功率和脈沖時間寬度Tp。由于光纖中非線性效應的限制[9]，過高的探測光功率會損害傳感系統(tǒng)性能，并不能無限提高信噪比。由式（1）可知，增加Tp提升信噪比的方法，實際上犧牲了系統(tǒng)的空間分辨率性能。2010年，來自哈爾濱工程大學的呂月蘭副教授和她的小組，提出了通過外差檢測和移動平均、移動微分相結(jié)合的方法來有效提高Φ-OTDR系統(tǒng)信噪比[10]。2011年Qin Zengguang、Zhu Tao等人提出了基于保偏光纖的外差檢測方法，進一步提高了Φ-OTDR系統(tǒng)的信噪比[11]，但這種方法成本高，不利于技術(shù)實際應用。2014年Qin Zengguang等人提出通過小波變換降低噪聲，提高信噪比[12]。Muanenda Y等人提出使用循環(huán)編碼技術(shù)處理探測光，通過光脈沖編碼，快速去噪聲，將系統(tǒng)信噪比提高9 dB[13]。

Chams Baker等人提出使用高校光比探測脈沖光，降低后向瑞利散射信號背景噪聲，提高信噪比[14]。Loranger等人報道了一種增強瑞利后向散射信號的方法，用于改善Φ-OTDR系統(tǒng)的信噪比[15]。Fernández-Ruiz Maria R.等人，分析了不同探測光脈沖形狀對系統(tǒng)性能的影響，實驗證明使用三角形或高斯型脈沖可以有效提升探測距離[16]。Qin Zengguang等人，提出了一種新的基于經(jīng)驗模態(tài)分解的消噪方法，以提高Φ-OTDR系統(tǒng)中振動傳感的信噪比[17]。Pastor-Graells Juan等人，受啁啾脈沖放大技術(shù)概念的啟發(fā)，提出了新的數(shù)據(jù)方法，提高了Φ-OTDR系統(tǒng)的信噪比比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)高出20 dB[18]。

1.3.2 提高響應頻率

2013年Hugo .F，Martins等人通過在裝置中使用半導體光放大器，抑制相干噪聲，改善泵浦脈沖的光譜響應，將相應頻率提高到39.5 kHz，但探測距離只有1.25 km[19]。Fernández-Ruiz Maria R.等人，分析了不同探測光脈沖形狀對系統(tǒng)性能的影響，實驗證明使用三角形或高斯型脈沖可以有效提升探測距離[16]。為了避免探測光脈沖后向瑞利散射信號的重疊，探測光脈沖重復時間必須大于光在被測光纖中的往返時間。這導致傳感距離限制了系統(tǒng)的相應頻率性能。對此提出了類似于波分復用的技術(shù)，通過時域排序多頻光源的Φ-OTDR[20]。D. Iida等人，在探測光中使用頻率編碼脈沖序列，實現(xiàn)了20 m的空間分辨率和80 kHz的頻率響應[21]。Wang Z等人，在探測距離10 km的基礎(chǔ)上響應頻率達到0.5 mHz，遠遠超過了傳統(tǒng)單一探測脈沖頻率時，探測距離10 km，響應頻率10 kHz的理論極限值[22]。2013年，Q.He等人將馬赫曾德干涉儀和Φ-OTDR技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了探測距離為1 150 m，5米的空間分辨率和6.3 mHz的相應頻率[23]。2019年Yuan Quan，Wang Feng 等人提出通過二次微分法補償系統(tǒng)探測激光頻率漂移影響，在6 km的被測光纖上實現(xiàn)了0.1 Hz的低頻擾動的響應，擴展了Φ-OTDR技術(shù)的頻率響應范圍[24]。

1.3.3 提高空間分辨率

通常，Φ-OTDR系統(tǒng)的分辨率大多在5 m、10 m甚至20 m。一定限度內(nèi)，減小，增加探測脈沖功率峰值，都是提高空間分辨率的有效方法，但過小的Tp會導致系統(tǒng)SNR降低，傳感范圍減小。過高的探測脈沖功率峰值，會導致非線性效應以及調(diào)制不穩(wěn)定性性效應，不利于系統(tǒng)性能提升。調(diào)制不穩(wěn)定性可以在傳統(tǒng)光纖上引起長距離Φ-OTDR中的位置相關(guān)信號衰落。這種衰落導致在某些位置記錄的干擾信號被完全屏蔽，從而導致系統(tǒng)空間分辨率降低[25]。上海大學的李岳陽等人，提出了新的數(shù)據(jù)處理方法，在探測光脈沖寬度為100 ns的情況下，將空間分辨率由探測光脈沖寬度決定的10 m提升到2 m[26]。2017年上海光學精密機械研究所全固態(tài)激光與應用技術(shù)重點實驗室的Lu Bin等人，提出了使用掃描脈沖技術(shù)的Φ-OTDR系統(tǒng)，將系統(tǒng)空間分辨率提升至0.3 m[27]。2017年，西班牙，阿爾卡爾大學的J. Pastor-Graells等進一步將Φ-OTDR系統(tǒng)的分辨率提高到0.018 m[18]。

1.3.4 增加探測距離

大多數(shù)的Φ-OTDR傳感系統(tǒng)都是通過光放大來增加探測光功率來提高系統(tǒng)動態(tài)范圍，增加探測距離，但過高的探測光功率會導致光線中的非線性效應，是系統(tǒng)性能嚴重下降。

電子科技大學饒云江等人，將摻鉺光纖放大技術(shù)和拉曼放大技術(shù)相結(jié)合，把Φ-OTDR系統(tǒng)傳感距離增加到了62 km[28]。Hugo F. Martins等人利用一階拉曼放大，將Φ-OTDR系統(tǒng)探測距離提高到了125km[29]。2014年，電子科技大學的彭正譜等人優(yōu)化探測脈沖光和拉曼泵浦光功率，降低非線性效應對系統(tǒng)的不良影響，實現(xiàn)了103 km的探測距離[30]；Peng Fei等人通過分布式拉曼放大和相干檢測的方式，將系統(tǒng)傳感距離增加到了131.5 km，空間分辨率為8 m[31]。2015年，電子科技大學的曾佳佳提出了分區(qū)型分布式放大技術(shù)，使用了3種不同的泵浦方式，將Φ-OTDR系統(tǒng)的探測距離增加到了175 km[32]。

2 基于Φ-OTDR的海光纜安全監(jiān)測技術(shù)的應用

2.1 海光纜安全監(jiān)測技術(shù)

海底光纜安全監(jiān)測技術(shù)包括了海光纜的故障預警和故障定位。早期海纜的故障定位技術(shù)有：通過OTDR定位無中繼的短距離海纜故障，通過COTDR定位有中繼長距離的海纜故障。在海纜發(fā)生絕緣故障時，根據(jù)短路和開路故障又有供電設(shè)備 壓降測試、小電流測試、脈沖回波測試、25 Hz探音測試以及電容測試[33]。2006年解放軍理工大學的周華等人，提出了一種新的基于BOTDR和聲納的海底光纜事件監(jiān)測系統(tǒng)[34]。海軍工程大學的周學軍教授也對BOTDR在海底光纜監(jiān)測中的應用進行了研究[6]。2008年南京大學李響等人設(shè)計了監(jiān)測海纜絕緣故障的海底光纜絕緣層監(jiān)測系統(tǒng)[4]。2011年，浙江工業(yè)大學的胡文侃基于布里淵散射光時域分析和激光干涉原理，通過在電纜中內(nèi)置光纖，設(shè)計了海底電纜在線綜合監(jiān)測系統(tǒng)[35]。2012年，上海海事大學的李高健等人利用地理信息系統(tǒng)和布里淵散射原理，建立分布式海底電纜監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)故障位置的快速準確定位[36]。2014年，華北電力大學的Zhao Lijuan把BOTDR技術(shù)應用到了光電復合海纜的在線監(jiān)測[37]。2019年華北電力大學的Xu Zhiniu等人基于BOTDR技術(shù)，對光線溫度的實時監(jiān)測，從而對海纜絕緣劣化的評估和定位，實現(xiàn)對海纜的安全監(jiān)測[38]。

2.2 基于Φ-OTDR的海光纜安全監(jiān)測技術(shù)

Φ-OTDR技術(shù)以其探測距離遠、空間分辨率性能突出、建構(gòu)簡單、經(jīng)濟成本相對較低等特點，成為了分布式海光纜擾動監(jiān)測的研究重點。2016年，中國人民解放軍91469部隊的董向華，利用海纜中現(xiàn)有的光纖為傳感單元，基于Φ-OTDR技術(shù)實現(xiàn)了對海纜擾動信息的監(jiān)測，實驗表明該系統(tǒng)可預警和定位船只落錨振動和掛纜拖拽等會行為對海纜擾動，達到安全監(jiān)測的目的[39]。2017年，廈門理工學院的朱鳳杰，使用Φ-OTDR技術(shù)，實現(xiàn)了對海纜擾動的監(jiān)測，定位精度為5 m[40]。海軍工程大學的李少卿基于Φ-OTDR技術(shù)研究了海光纜的擾動監(jiān)測技術(shù)，結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，實現(xiàn)了多種擾動模式的識別[8]。2018年華北電力大學的呂安強基于Φ-OTDR技術(shù)對三芯海纜進行錨害擾動的實時監(jiān)測[41]。

2.3 基于Φ-OTDR的海光纜監(jiān)測技術(shù)性能分析

近幾年，Φ-OTDR振動傳感系統(tǒng)的性能指標有了很大的改進。如前文所述，都是處于理論分析和實驗驗證，并沒有商業(yè)化的產(chǎn)品問世。董向華在文獻[39]中，僅對基于Φ-OTDR的海光纜監(jiān)測技術(shù)進行了實驗驗證，并未提及傳感距離，空間分辨率以及響應頻率等性能指標。朱鳳杰在論文[40]中，進行了海底電纜震動模擬實驗，驗證了基于基于Φ-OTDR傳感技術(shù)的震動監(jiān)測，空間分辨率為5 m。李少卿在文獻[8]中，有效探測距離為106 km，經(jīng)聯(lián)系作者本人，其搭建的Φ-OTDR系統(tǒng)空間分辨率為5 m。呂安強等人在文獻[41]中測試的Φ-OTDR系統(tǒng)的響應頻率為800 Hz。

據(jù)統(tǒng)計，造成海光纜阻斷事故的原因，三分之二是漁業(yè)捕撈和船只拋錨拖錨[42]。海光纜擾動監(jiān)測存在的問題有：有效報警率低（漏報誤報事件）、探測范圍有限（80 km以內(nèi)）、空間分辨率不高（約100 m）[42]。因此，探測距離、空間分辨率和響應頻率是基于Φ-OTDR的海光纜監(jiān)測系統(tǒng)的主要指標。

Φ-OTDR傳感系統(tǒng)的空間分辨率最高已經(jīng)達到了0.018 m。實際上，過高的空間分辨率性能和系統(tǒng)的探測距離是相沖突的。海光纜在敷設(shè)過程中有定余量控制，實際光纜的長度大于敷設(shè)路由的長度，通常布纜余量在1%～5%之間。因此一百米以內(nèi)的空間分辨率已經(jīng)能夠達到要求。在綜合系統(tǒng)其他性能的基礎(chǔ)上，10、20 m的空間分辨率能夠有效縮短，故障定位過程中打撈斷纜的時間。

響應頻率是指Φ-OTDR傳感系統(tǒng)能夠探測擾動的最高頻率，由于船只錨害等主要威脅事件的振動頻譜主要能量集中在基帶，所以幾百至上千赫茲的相應頻率就能達到要求。但響應頻率越高，系統(tǒng)可探測到的振動的頻譜信息越多，越有助于對擾動信號進行模式識別，提高系統(tǒng)的有效預警率。

系統(tǒng)的探測距離應該于海光纜的通信距離相匹配，實際上，海光纜的通信距離動輒成百上千公里，甚至很多有中繼的海光纜通信距離長達上萬公里，而Φ-OTDR系統(tǒng)的探測距離只有100 km左右。所以基于Φ-OTDR的海光纜擾動系統(tǒng)探測距離指標應該是越高越好。研究超長距離多跨段的Φ-OTDR傳感系統(tǒng)是人們下一步研究的重點。

3 總結(jié)與前景展望

相位敏感光時域反射技術(shù)（Φ-OTDR）具有監(jiān)測距離長，單側(cè)傳感，空間分辨率高等優(yōu)點，是海光纜擾動監(jiān)測技術(shù)的最佳方案。介紹了Φ-OTDR的基本原理及研究現(xiàn)狀，以及在海光纜監(jiān)測領(lǐng)域的研究應用情況。分析了基于Φ-OTDR的海纜擾動監(jiān)測技術(shù)的性能需求。

基于海光纜通信網(wǎng)的信息傳輸網(wǎng)、預警探測網(wǎng)和傳感器網(wǎng)絡(luò)的“三網(wǎng)合一”發(fā)展前景[43]和基于海光纜的纜系科學觀測網(wǎng)建設(shè)，對海光纜擾動監(jiān)測技術(shù)提出了更高的要求。基于Φ-OTDR海光纜監(jiān)測技術(shù)發(fā)展的重要方向有：（1）研究過中繼的Φ-OTDR擾動監(jiān)測技術(shù)，提高傳感距離，實現(xiàn)超長距離的擾動監(jiān)測，是海光纜監(jiān)測技術(shù)發(fā)展的重要方向。（2）研究基于時域排序多頻光源的超高頻率響應Φ-OTDR監(jiān)測技術(shù)[20]。實現(xiàn)對威脅事件更多信息的采集和識別，提高系統(tǒng)有效報警率。（3）研究外部擾動威脅事件的全矢量信息，擴展Φ-OTDR傳感技術(shù)在海光纜安全監(jiān)測領(lǐng)域的應用[44]。