封面文章
蔡海文,葉青,王照勇,盧斌. 基于相干瑞利散射的分布式光纖聲波傳感技術(shù)[J].
激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2020, 57(5): 050001
感知萬物，是構(gòu)建智慧地球、智慧城市、智慧海洋的重要技術(shù)支撐。
分布式光纖聲波傳感(DAS)技術(shù)，是一種可以實(shí)現(xiàn)振動和聲場連續(xù)分布式探測的新型傳感技術(shù)。它利用窄線寬單頻激光在光纖中激發(fā)的相干瑞利散射對應(yīng)變變化高度敏感的特性，結(jié)合反射計(jì)原理，對與光纖相互作用的環(huán)境振動與聲場信息進(jìn)行長距離、高時空精度的感知。
這種獨(dú)一無二的信息感知能力，使得DAS技術(shù)受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。DAS技術(shù)性能不斷提升，應(yīng)用快速發(fā)展，已在周界入侵檢測、鐵路安全在線監(jiān)測、地球物理勘探等方面展示了其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢和潛力。
中科院上海光機(jī)所蔡海文研究員課題組從技術(shù)與應(yīng)用兩個維度，綜述了DAS近年來的重要進(jìn)展，分析了其進(jìn)一步發(fā)展需要突破的關(guān)鍵問題及未來發(fā)展方向。
圖1 分布式光纖聲波傳感技術(shù)
從瑞利散射到定量測量的四十年
20世紀(jì)70年代，低損耗石英光纖問世，研究人員對光纖的損耗機(jī)制產(chǎn)生了濃厚的興趣，在研究中發(fā)現(xiàn)，近紅外吸收窗口的光波損耗主要源于瑞利散射。通過對后向瑞利散射的探測可以實(shí)現(xiàn)光纖損耗和缺陷的測試，研究人員依此發(fā)明了光時域反射計(jì)(OTDR)，這一技術(shù)極大推動了光纖通信事業(yè)的發(fā)展。
20世紀(jì)80年代，人們在OTDR的使用中發(fā)現(xiàn)了瑞利散射的干涉效應(yīng)，探測到的瑞利背向散射光強(qiáng)度會隨時空變化，這嚴(yán)重影響了光纖損耗評估的準(zhǔn)確性。為解決這一問題，大量研究工作聚集于相干瑞利散射的機(jī)理與特性，這加速了相干OTDR的誕生，并將相干OTDR用于測量超長距離光纖通信線路狀態(tài)。
20世紀(jì)90年代初，H. F. Taylor等人提出利用這一干涉效應(yīng)進(jìn)行光纖沿線擾動探測的設(shè)想，并開展了驗(yàn)證性試驗(yàn)和測試。隨后R. Juskaitis等人發(fā)表了第一篇基于相干瑞利散射的分布式光纖振動傳感的學(xué)術(shù)論文。
21世紀(jì)初，隨著窄線寬單頻激光器技術(shù)的成熟和商業(yè)化，這一技術(shù)得以迅速發(fā)展，并稱為相位敏感光時域反射計(jì)(Φ-OTDR)。
這一階段的Φ-OTDR是通過直接探測方式獲取相干瑞利散射回波的強(qiáng)度，對前后時間內(nèi)的強(qiáng)度信息進(jìn)行差分，實(shí)現(xiàn)外界擾動動態(tài)檢測的。但是，施加在光纖上的物理量變化與散射光強(qiáng)度并不是呈單調(diào)變化的，這一信號解調(diào)方式只能定性判斷擾動事件的有無，難以直接獲取擾動信號的準(zhǔn)確波形。這一定性檢測階段的Φ-OTDR通常被稱為分布式光纖振動傳感(DVS)技術(shù)。
2011年，中科院上海光機(jī)所在國際上率先提出和開展了基于光纖瑞利散射相位提取的Φ-OTDR技術(shù)研究。研究人員利用瑞利散射光相位空間差分與外界振動的線性映射關(guān)系，通過數(shù)字相干相位解調(diào)，首次實(shí)現(xiàn)了光纖沿線外界振動信號的分布式定量化測量，這標(biāo)志著Φ-OTDR步入定量測量階段，即分布式光纖聲波傳感技術(shù)(DAS)。
定量化測量有效地解決了DVS探測信號失真問題，通過線性重建擾動信息，極大提升了Φ-OTDR信號識別的準(zhǔn)確率與系統(tǒng)的可靠性，推動了Φ-OTDR在多個應(yīng)用領(lǐng)域的繁榮發(fā)展。
隨后，國內(nèi)外多個研究小組分別提出了各自的相位解調(diào)與定量化測量方案，包括南安普頓大學(xué)的基于3×3耦合器的相位解調(diào)技術(shù)，中科院半導(dǎo)體所的相位生成載波技術(shù)，俄羅斯科學(xué)院的雙脈沖測量方法、電子科技大學(xué)的光學(xué)正交解調(diào)方法等。
定量測量的突破性發(fā)展
常規(guī)DAS技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中在信號衰落、響應(yīng)帶寬、空間分辨率等方面存在一系列技術(shù)瓶頸，國內(nèi)外專家學(xué)者針對這些技術(shù)難題開展了一系列研究。
信號衰落
由于DAS光源的高相干特性，后向散射光存在多波束干涉，光波的偏振態(tài)和相位差的變化會引起干涉光強(qiáng)的隨機(jī)波動，光強(qiáng)極弱的情況稱為信號衰落。
這一現(xiàn)象源于DAS的傳感機(jī)理，難以完全根除。當(dāng)前的研究多以減緩信號衰落，降低其影響為目的。根據(jù)信號衰落隨偏振態(tài)、頻率、相位、模式等因素的變化，國內(nèi)外多個研究小組提出了不同的分集接收探測技術(shù)，包括偏振分集、頻率分集、相位分集、模式分集、空間分集等，如圖2所示，對多載波信號進(jìn)行綜合判決或矢量合成，進(jìn)而抑制信號衰落的影響。
圖2 信號衰落抑制代表性方案。(a)相位分集；(b)模式分集
中科院上海光機(jī)所研究團(tuán)隊(duì)于2012年和2013年分別提出了基于多頻光源的頻率分集與雙探測脈沖的相位分集方案，并取得了一定的效果。
響應(yīng)帶寬
以Φ-OTDR為代表的DAS技術(shù)，是通過向光纖內(nèi)發(fā)射問詢脈沖來獲取全線路數(shù)據(jù)的，相鄰問詢脈沖的時間間隔受到光纖長度的限制。光纖長度越長，系統(tǒng)問詢脈沖的間隔越大，光纖各位置的數(shù)據(jù)采集間隔變大，響應(yīng)頻率與響應(yīng)帶寬下降。
為了獲取較為豐富的高頻信息，滿足聲波檢測等應(yīng)用需求，多采用犧牲傳感范圍的方式來獲取較高的響應(yīng)帶寬。在電纜局部放電檢測、大型結(jié)構(gòu)健康等領(lǐng)域，對傳感范圍和響應(yīng)帶寬均提出了較高的要求。
為解決兩性能參數(shù)的相互制約難題，2014年，上海光機(jī)所團(tuán)隊(duì)率先提出了多色光并行采樣的思想。多色光并行采樣方法通過頻率標(biāo)記方式解決相鄰脈沖信號混疊與脈沖間隔受限問題，在不犧牲傳感范圍的情況下有效地提升了系統(tǒng)響應(yīng)帶寬，實(shí)現(xiàn)了9.6 km傳感范圍、0.5 MHz響應(yīng)帶寬的分布式傳感。
日本NTT學(xué)者借鑒這一思想，在5 km傳感長度上實(shí)現(xiàn)了80 kHz響應(yīng)帶寬；南京大學(xué)利用330 m超弱光柵陣列，結(jié)合多色光并行采樣，實(shí)現(xiàn)了440 kHz頻率的信號探測。
2015年，重慶大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出了周期非均勻采樣方式，利用頻率調(diào)諧對非均勻脈沖序列進(jìn)行標(biāo)記，可以在不加寬探測帶寬的情況下提升頻率響應(yīng)，先后在3 km光纖長度實(shí)現(xiàn)了最大30 kHz頻率響應(yīng)，在10 km實(shí)現(xiàn)了超過50個頻率成分的稀疏寬帶信號探測。
圖3 多色光并行采樣和響應(yīng)帶寬提升
空間分辨率
空間分辨率決定了系統(tǒng)的定位精度與相位解調(diào)精度，通常是由問詢脈沖的寬度決定。壓窄脈寬可以優(yōu)化空間分辨率，但是會惡化系統(tǒng)信噪比和傳感范圍。在一些特定應(yīng)用場景中，如列車輪軌在線檢測、大型結(jié)構(gòu)健康檢測等，傳感范圍和空間分辨率都是非常重要的指標(biāo)。
為了滿足大傳感范圍、高定位精度的應(yīng)用需求，中科院上海光機(jī)所率先引入了光學(xué)脈沖壓縮反射計(jì)技術(shù)與微波雷達(dá)的調(diào)頻脈沖壓縮概念，將空間分辨率映射至光波頻域，實(shí)現(xiàn)了75 km傳感范圍下的亞米級空間分辨率。
此外，上海交通大學(xué)提出了融合光頻域反射（OFDR）與脈沖斬波技術(shù)的時間門控OFDR（TGD-OFDR）技術(shù)，通過對光波頻率的調(diào)諧控制，分別實(shí)現(xiàn)衰落抑制、帶寬提升、空間分辨率優(yōu)化等目的。電子科技大學(xué)先后采用拉曼放大、布里淵放大、混合分布式放大等技術(shù)，對系統(tǒng)的傳感范圍進(jìn)行提升，實(shí)現(xiàn)了最高175 km范圍的分布式監(jiān)測。
廣闊應(yīng)用需求與技術(shù)日趨完善的相互推動
DAS因其獨(dú)特的優(yōu)勢，吸引著越來越多領(lǐng)域的專家前來尋找行業(yè)突破，同時對DAS技術(shù)完善提出了越來越高的要求。
歷經(jīng)十余年的發(fā)展，DAS已經(jīng)在多個領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用，尤其是長距離、大范圍、時空密集檢測的應(yīng)用場景，包括周界安防、交通運(yùn)輸、地球物理勘探、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等領(lǐng)域。研究人員也針對各個領(lǐng)域的個性化應(yīng)用需求，對DAS技術(shù)進(jìn)行不斷完善。
圖4 廣闊的應(yīng)用市場
在周界安防領(lǐng)域，相較于常規(guī)手段，DAS具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、隱蔽性高、監(jiān)測范圍大、分布式無盲區(qū)等優(yōu)點(diǎn)。但是，如何根據(jù)DAS探測到的大量復(fù)雜信號判斷光纖沿線發(fā)生了什么擾動、什么性質(zhì)的入侵，是一項(xiàng)技術(shù)難題。
在鐵路運(yùn)輸領(lǐng)域，DAS技術(shù)將無源光纖作為傳感與傳輸器件，可以實(shí)現(xiàn)光纖沿線擾動信號的空間連續(xù)感知。它具有抗電磁干擾、可長距離分布式測量、單位距離成本低、無需現(xiàn)場供電等特點(diǎn)，能夠很好地彌補(bǔ)現(xiàn)有點(diǎn)式電磁學(xué)傳感技術(shù)的缺點(diǎn)，符合鐵路運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用需求，可以較為快速地融入到現(xiàn)有鐵路線路中，并已經(jīng)得到重要應(yīng)用。
圖5 基于DAS的鐵路沿線安全檢測
油氣資源勘探也是DAS技術(shù)的一項(xiàng)重要應(yīng)用。常規(guī)油氣資源勘探技術(shù)采用點(diǎn)式電子檢波器，具有部署效率低、大規(guī)模實(shí)驗(yàn)耗時長等弊端。DAS利用常規(guī)的通信光纖作為傳感器件，成本低廉，而且可以在鉆井、完井、生產(chǎn)等全生命周期發(fā)揮作用，優(yōu)勢顯著。
此外，由于光纖具有尺寸小、質(zhì)量輕等特點(diǎn)，易于嵌入到航空航天復(fù)合材料、建筑材料、土壤介質(zhì)等結(jié)構(gòu)中，利用DAS可以方便地獲取材料內(nèi)部的聲發(fā)射信號，實(shí)現(xiàn)材料與結(jié)構(gòu)的永久性在線監(jiān)測。
未來發(fā)展趨勢和挑戰(zhàn)
DAS技術(shù)已經(jīng)不斷趨于成熟，應(yīng)用市場不斷擴(kuò)大，前景一派欣欣向榮。最近，國外學(xué)者提出采用既有的地下通信光纖，構(gòu)建地球地質(zhì)分析與重大自然災(zāi)害（地震）探測的大規(guī)模監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。這一發(fā)展方向可以挖掘DAS的大范圍空間連續(xù)感知優(yōu)勢，重新激活全球地下所有冗余的通信光纖資源，具有非常高的市場價值和發(fā)展?jié)摿Α?/span>
雖然DAS技術(shù)已經(jīng)得到了長足發(fā)展，但是尚未完全成熟，依然存在重要的技術(shù)瓶頸需要攻關(guān)，主要包括靈敏度提升、多維探測和新的數(shù)據(jù)處理范式等幾個方面。
DAS技術(shù)的靈敏度，相對于分布式傳感技術(shù)而言，是比較高的。但是，與常規(guī)點(diǎn)式傳感技術(shù)相比，還具有很大的差距。若要大規(guī)模應(yīng)用DAS技術(shù)，需要對這一技術(shù)的靈敏度進(jìn)行大幅度提升，使其接近現(xiàn)有點(diǎn)式傳感器件的水平，才能真正替代各應(yīng)用領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)手段。
同時，現(xiàn)有DAS探測能力依然受限于光纖軸向一維結(jié)構(gòu)，尚且難以實(shí)現(xiàn)擾動源的三維定位與信號的多分量探測，在一定程度上限制了DAS的技術(shù)性能和應(yīng)用范圍。
圖6 分布式二維/三維定位探測與無人機(jī)反制
此外，DAS的長距離、空間密集采樣和時域密集采樣特征產(chǎn)生巨量的傳感數(shù)據(jù)，如何將巨量的原始數(shù)據(jù)實(shí)時轉(zhuǎn)化為有用的傳感信號需要發(fā)展新的數(shù)據(jù)處理方法和算法。
總而言之，DAS技術(shù)為物理世界的感知提供了變革性技術(shù)手段，對推動科學(xué)研究和人類社會的智能發(fā)展具有重要意義。
課題組介紹
中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所蔡海文研究員科研團(tuán)隊(duì)近二十年來，以光電子器件和光纖信息技術(shù)為基礎(chǔ)，聚焦信息的精準(zhǔn)感知與傳遞及前沿應(yīng)用，以激光產(chǎn)生、傳輸、探測過程的光波特性精密測量與調(diào)控為特色，以更精、更準(zhǔn)和更廣泛應(yīng)用為目標(biāo)，從器件、系統(tǒng)和應(yīng)用多層面研究開發(fā)精準(zhǔn)信息感知與傳遞的新理論和核心技術(shù)，致力于為國防、工業(yè)和科學(xué)研究提供高端精密光子器件、極致光纖傳感和超高精度時空基準(zhǔn)分發(fā)等精密光子技術(shù)供給。
主持承擔(dān)的科研項(xiàng)目有國家自然科學(xué)基金（重點(diǎn)、面上）項(xiàng)目、軍科委前沿創(chuàng)新項(xiàng)目、航天型號項(xiàng)目、國家863重點(diǎn)項(xiàng)目、中科院重點(diǎn)部署項(xiàng)目、上海市科委重大科技攻關(guān)項(xiàng)目等多項(xiàng)國家級和省部級項(xiàng)目。科研團(tuán)隊(duì)先后榮獲2016年度上海市技術(shù)發(fā)明獎一等獎、2017年度中國專利優(yōu)秀獎等榮譽(yù)和獎項(xiàng)，成果入選“偉大的變革”改革開放四十周年展。
課題組合影：
原文鏈接：播光| 分布式光纖聲波傳感技術(shù)
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