基于光纤传感技术实现BOTDR和Ф－OTDR融合的全新方案
撰稿 | 南京大学 博士生周霄（论文第一作者）& 张旭苹 教授、王峰 副教授（论文通讯作者）
01 导读
随着分布式光纤传感技术（distributed opTIcal fiber sensing, DOFS）的飞速发展，近些年来，其可靠性与有效性在越来越多的工程应用案例中得到了验证，现已深入到大型结构健康监测、地质及能源勘探、周界安防、海洋地球物理等众多领域。然而在实际监测场景中，事件发生的影响因素及扰动参量多元，而单一的分布式光纤传感器监测参量有限，在应用中极容易出现误判和漏判的情况。若携带多台不同设备，往往需要接入多根光纤，更难以实现多种参量的同步监测，不仅成本高，且实施难度大。针对以上难题，南京大学智能光感知与调控技术教育部重点实验室与南京大学深圳研究院等合作单位开展了对于融合型分布式光纤传感系统的研究，于近期提出了一种融合布里渊光时域反射仪（Brillouin opTIcal TIme domain reflectometry, BOTDR）和相位敏感型光时域反射仪（phase sensiTIve optical time domain reflectometry, Φ-OTDR）这两种传感系统的方法。通过理论分析和综合实验的验证，所搭建的融合系统不仅能够实现多参量的同步测量，还保障了BOTDR和Ф-OTDR的传感性能。通过最大化复用光电器件，融合系统的复杂度和成本并没有明显提升，且单端接入光纤的特性也有利于实际工程应用。研究成果以 “Hybrid B-OTDR/Φ-OTDR for multi-parameter measurement from a single end of fiber” 为题发表在国际知名光学期刊Optics Express上，南京大学博士研究生周霄为论文的第一作者，张旭苹教授与王峰副教授为论文的通讯作者。
02 研究背景
在实际工程应用中，事件发生的影响因素及扰动参量多元，而单一的分布式光纤传感器监测参量有限，在应用中极容易出现误判和漏判的情况。如在输油管道监测中，泄漏事件将同时改变温度和振动的状态；而在输电线路覆冰监测中，既有线路载荷引起的应变，同时还存在周边风场作用发生舞动的情况，进而引起实时振动及应变波动。如若携带多台不同设备进行监测，往往需要接入多根光纤，更难以实现多种参量的同步监测，不仅成本高，且实施难度大。近年来，融合不同类别的分布式光纤传感系统得到了越来越多的研究。其中，BOTDR主要用于对温度和应变的静态测量，而Φ-OTDR可以监测实时振动及其所引起的动态应变。若能有效融合BOTDR和Φ-OTDR两种传感系统，将可以利用多参量、多维度监测和单端接入光纤的特性，实现对扰动事件的准确判别。在近几年对于融合型分布式光纤传感系统的研究中，已经出现了多种方法来实现对布里渊散射信号和瑞利散射信号的提取，从而达到多参量监测的效果，但这些方案中往往还存在多参量无法同步监测、无法实现相位定量解调、系统结构复杂、需要光纤双端接入等问题。本文提出了一种双外差探测的方法来实现BOTDR和Φ-OTDR两种系统的融合，不仅能够提取瑞利散射信号的相位信息，还同时避免了偏振衰落噪声对BOTDR的影响，之后通过综合实验证明了多参量同步测量的特性。本文还分析了散射光的不同分光比对测量结果的影响，对传感性能作了进一步优化。
03 创新研究
3.1 双外差探测结构
BOTDR和Φ-OTDR外差探测结构比较相似，其中BOTDR的差频来自布里渊散射斯托克斯光和反斯托克斯光自身的布里渊频移（Brillouin frequency shift, BFS），一般约在10.8GHz左右；而在Φ-OTDR系统中，差频通常是由声光调制器所引入，一般约在几十至几百MHz。若简单将BOTDR和Φ-OTDR的外差探测结构融合在一起，声光调制器所引入的频移将导致BOTDR的拍频信号出现频率上的错位和混叠，下式为探测器所收集到的信号（滤除直流分量）：
其中，PR(t)、PB(t)和PLO分别是瑞利散射光、自发布里渊散射光和本振光的功率，φR(t)，φB1(t)和φB2(t)分别是瑞利散射光、布里渊斯托克斯光、反斯托克斯光与本振光的相位差，νR是声光调制器引入的频移，νB是布里渊频移，R是探测器的响应度。由图1(a)可见，布里渊斯托克斯光、反斯托克斯光与本振光的拍频并不相同，分别为νB + νR和νB – νR，此时将无法对其进行正确解调。
图1 融合系统中BOTDR和Ф-OTDR的频率成分组成 (a) 传统结构, (b) 双外差探测结构
图源: Optics Express (2022)
https://doi.org/10.1364/OE.463127 (Fig. 2)
针对这种情况，本文提出了一种双外差探测的方法，如图1(b)所示，即同时将散射光和本振光用耦合器分成两路，分别作为BOTDR和Ф-OTDR独有的拍频信号光路，之后两者分别独立地发生拍频，并被两个独立的光电探测器收集。经过这种处理后，瑞利散射和布里渊散射的拍频信号就得到了有效分离，且互相不构成影响，分别可表达为以下形式：
其中，PS(t)和PAS(t)分别是布里渊斯托克斯光和反斯托克斯光的功率。经过独立探测后，瑞利散射信号也能够用更低带宽的平衡探测器来收集，信噪比有了进一步的提高。基于双外差探测的BOTDR和Ф-OTDR融合系统结构如图2所示，与传统的BOTDR或Ф-OTDR系统不同的是，下路的本振光通过耦合器再次分成两路，分别作为BOTDR和Ф-OTDR的本振光，其中，BOTDR的本振光一路加入了扰偏器（polarization scrambler, PS），在抑制布里渊散射信号的偏振衰落噪声的同时不会影响到瑞利散射信号的偏振态；而移频的声光调制器（acousto-optic modulator, AOM）则是在Ф-OTDR的本振光一路，并不会造成布里渊散射信号的频率交错与混叠。同时待测光纤中产生的散射光也经由一个70:30耦合器分光，再分别与两路本振光拍频，输出的布里渊散射信号和瑞利散射信号分别被两只平衡探测器（balanced photodetector, BPD）接收。
图2 系统结构示意图
3.2 多参量测量实验
实验采用总长49.9km的普通单模光纤，在光纤末端两个位置分别施加振动和温度变化，其中振动事件加载于压电陶瓷（piezoelectric transducer, PZT）上，其上缠有10m长的裸纤，另一段20m长的光纤环放入水浴锅中进行加热。图3(a)展示了不同温度下测量得到的频移-距离分布曲线，可以明显观察到热点位置处升温5℃到50℃对应的频移变化，通过计算最末端350m长度数据的标准差，可以得到BOTDR的BFS测量不确定度为0.381MHz。图3(b)中给出了测得频移与实际施加温变间的关系，通过线性拟合得到了1.011MHz/℃的系数，与受测光纤实际参数相符，且线性度良好。
图3 (a) 热点位置的频移分布曲线, (b) 测得频移与实际温变的拟合曲线
之后通过在PZT上施加不同频率和模式的振动来验证本系统的传感性能，当施加正弦振动的频率为100Hz时，经过IQ解调后可得到相位变化曲线，如图4(a)所示。保持频率不变，将施加振动的幅度从200mV到3V依次增加，相位变化的峰峰值也随之改变，其线性关系如图4(b)所示，可见本系统对于振动测量的稳定性和重复性良好。
图4 (a) 100Hz正弦振动下的相位解调曲线, (b) 振动幅度下与相位峰峰值的拟合曲线
为了更进一步验证本系统对于振动的传感性能，另一组实验将采用三角波来替代正弦波，图5(a)和图5(b)分别给出了100Hz和800Hz频率下的相位解调结果，可见不同频率、不同模式的振动信号都得到了有效还原。
图5 (a) 100Hz三角波的相位解调曲线, (b) 800Hz三角波的相位解调曲线
3.3 散射光分光比的分析与优化
由于本文所提出的双外差探测方法需要对散射光进行分光，这将使瑞利散射光和布里渊散射光分别有一定的功率损耗，导致BOTDR和Ф-OTDR的信噪比下降。与此同时，由于BOTDR和Ф-OTDR各自的动态范围不同，且依靠不同指标来评估其性能，因此有必要分析不同散射光分光比下BOTDR和Ф-OTDR的传感性能。BOTDR的布里渊频移（Brillouin frequency shift, BFS）测量不确定度通常采用下式来表示：
其中，SNR(z)为z位置的中心频率处所对应的信噪比，δ为频率扫描间隔，ΔνB是布里渊增益谱（Brillouin gain spectrum, BGS）的半高全宽。 图6(a)给出了在中心频率处测得的布里渊时域信号曲线，且分别展示了不分光和分光70%下的结果，可见分光70%后的信噪比降低了1.58dB，这与理论值基本一致。而根据图6(b)中的结果，实测的BGS半高全宽为48MHz，在3MHz频率扫描间隔下，BFS测量不确定度将会增加0.145MHz。
图6 (a) 中心频率下的实测布里渊时域信号曲线, (b) 末端光纤位置处的布里渊增益谱
另一方面，本文将通过解调信号的信噪比来评估Ф-OTDR的实际性能。图7(a)是基于图4(a)的结果所得到的功率谱密度图，在瑞利散射光获得30%分光的实验条件下，解调信号的信噪比为40.24dB。为进一步验证散射光分光比对Ф-OTDR性能的影响，实验中实测了不同分光比下的解调信号信噪比，最终得到的结果如图7(b)所示。从中可以发现，Ф-OTDR的解调信号信噪比在分光比大于30%时保持着较高水平，而BOTDR的BFS测量不确定度直到分光比小于50%时才会发生相对较大的恶化，由以上分析可知，采用70%的布里渊散射光分光比和30%的瑞利散射光分光比是最优化的方案。
图7 (a) 100Hz振动解调信号的功率谱密度图, (b) 分光比与Ф-OTDR解调信号信噪比以及BOTDR测量不确定度增量的关系
04 应用与展望
本文提出了一种实现BOTDR和Ф-OTDR融合的全新方案，不仅能够同时对多参量进行监测，还保障了Ф-OTDR相位定量解调功能，且有效抑制了BOTDR的偏振衰落噪声。相比较于独立的BOTDR或Ф-OTDR系统，本系统在复杂度上仅有微小的提升，最大程度实现了对光电器件的复用。与其他实现瑞利散射光和布里渊散射光分离的方法相比，本方案在稳定性上更具优势，且通过对分光比的综合分析进一步优化了传感性能。本方案充分展现了其在工程实践中的适用性和潜力，为多参量监测的工程化应用创造了条件，给出了一种低成本、高效、高稳定性的技术手段，也为不同分布式光纤传感技术的融合提供了新的思路。
05 作者简介
张旭苹（论文通讯作者） 教授/博士生导师
张旭苹，南京大学现代工程与应用科学学院教授、博士生导师，南京大学光通信研究中心主任，江苏省光通信系统与网络工程研究中心主任，国务院政府特殊津贴专家，江苏省“333高层次人才培养工程”首批中青年科技领军人才，中国光电技术专业委员会副主任委员，国家光纤传感标准分技术委员会委员，IEEE Nanjing Section Photonics Society Chapter主席。近年来主持了973课题、国家自然科学基金、863项目等来自国家、总装、铁道部、交通部、国家电网等各项基金资助16项，华为科技等企业委托科研项目20多项。已发表高水平论文近200篇，出版专著2部，15项科研成果通过部/省级鉴定，申请/获得国家发明专利、国际发明专利和国防专利98项。作为主持人，曾经荣获2015年吴文俊人工智能科学技术奖进步奖一等奖、2012年教育部技术发明一等奖、2006年教育部科技进步一等奖等十多项奖励。
王峰（论文通讯作者） 副教授/博士生导师
王峰，南京大学现代工程与应用科学学院副教授、博士生导师，南京大学光通信工程研究中心副主任，光学学会（OSA）高级会员，电气电子工程师学会（IEEE）高级会员。主持和作为研究骨干参与多项国家、省部级项目。在国际主要期刊及会议上发表学术论文多篇，获得了相关发明专利多项，获1项教育部技术发明奖一等奖，1项江苏省科学技术奖一等奖，第五届“吴文俊人工智能科学技术进步奖”一等奖。研究方向主要为分布式光纤传感技术、光纤光栅传感技术及应用。
文章信息：
Xiao Zhou, Feng Wang *, Zhen Liu, Yanqing Lu, Chengyu Yang, Yixin Zhang, Liyang Shao, and Xuping Zhang *，”Hybrid B-OTDR/Φ-OTDR for multi-parameter measurement from a single end of fiber,” Optics Express, 30(16), 29117-29127 (2022).
