封面文章 蔡海文,叶青,王照勇,卢斌. 基于相干瑞利散射的分布式光纤声波传感技术[J]. 激光与光电子学进展, 2020, 57(5): 050001 感知万物，是构建智慧地球、智慧城市、智慧海洋的重要技术支撑。分布式光纤声波传感(DAS)技术，是一种可以实现振动和声场连续分布式探测的新型传感技术。它利用窄线宽单频激光在光纤中激发的相干瑞利散射对应变变化高度敏感的特性，结合反射计原理，对与光纤相互作用的环境振动与声场信息进行长距离、高时空精度的感知。这种独一无二的信息感知能力，使得DAS技术受到学术界和工业界的广泛关注。DAS技术性能不断提升，应用快速发展，已在周界入侵检测、铁路安全在线监测、地球物理勘探等方面展示了其独特的技术优势和潜力。中科院上海光机所蔡海文研究员课题组从技术与应用两个维度，综述了DAS近年来的重要进展，分析了其进一步发展需要突破的关键问题及未来发展方向。
图1 分布式光纤声波传感技术
从瑞利散射到定量测量的四十年
20世纪70年代，低损耗石英光纤问世，研究人员对光纤的损耗机制产生了浓厚的兴趣，在研究中发现，近红外吸收窗口的光波损耗主要源于瑞利散射。通过对后向瑞利散射的探测可以实现光纤损耗和缺陷的测试，研究人员依此发明了光时域反射计(OTDR)，这一技术极大推动了光纤通信事业的发展。
20世纪80年代，人们在OTDR的使用中发现了瑞利散射的干涉效应，探测到的瑞利背向散射光强度会随时空变化，这严重影响了光纤损耗评估的准确性。为解决这一问题，大量研究工作聚集于相干瑞利散射的机理与特性，这加速了相干OTDR的诞生，并将相干OTDR用于测量超长距离光纤通信线路状态。20世纪90年代初，H. F. Taylor等人提出利用这一干涉效应进行光纤沿线扰动探测的设想，并开展了验证性试验和测试。随后R. Juskaitis等人发表了第一篇基于相干瑞利散射的分布式光纤振动传感的学术论文。21世纪初，随着窄线宽单频激光器技术的成熟和商业化，这一技术得以迅速发展，并称为相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)。这一阶段的Φ-OTDR是通过直接探测方式获取相干瑞利散射回波的强度，对前后时间内的强度信息进行差分，实现外界扰动动态检测的。但是，施加在光纤上的物理量变化与散射光强度并不是呈单调变化的，这一信号解调方式只能定性判断扰动事件的有无，难以直接获取扰动信号的准确波形。这一定性检测阶段的Φ-OTDR通常被称为分布式光纤振动传感(DVS)技术。2011年，中科院上海光机所在国际上率先提出和开展了基于光纤瑞利散射相位提取的Φ-OTDR技术研究。研究人员利用瑞利散射光相位空间差分与外界振动的线性映射关系，通过数字相干相位解调，首次实现了光纤沿线外界振动信号的分布式定量化测量，这标志着Φ-OTDR步入定量测量阶段，即分布式光纤声波传感技术(DAS)。定量化测量有效地解决了DVS探测信号失真问题，通过线性重建扰动信息，极大提升了Φ-OTDR信号识别的准确率与系统的可靠性，推动了Φ-OTDR在多个应用领域的繁荣发展。随后，国内外多个研究小组分别提出了各自的相位解调与定量化测量方案，包括南安普顿大学的基于3×3耦合器的相位解调技术，中科院半导体所的相位生成载波技术，俄罗斯科学院的双脉冲测量方法、电子科技大学的光学正交解调方法等。
定量测量的突破性发展
常规DAS技术在实际应用中在信号衰落、响应带宽、空间分辨率等方面存在一系列技术瓶颈，国内外专家学者针对这些技术难题开展了一系列研究。信号衰落由于DAS光源的高相干特性，后向散射光存在多波束干涉，光波的偏振态和相位差的变化会引起干涉光强的随机波动，光强极弱的情况称为信号衰落。这一现象源于DAS的传感机理，难以完全根除。当前的研究多以减缓信号衰落，降低其影响为目的。根据信号衰落随偏振态、频率、相位、模式等因素的变化，国内外多个研究小组提出了不同的分集接收探测技术，包括偏振分集、频率分集、相位分集、模式分集、空间分集等，如图2所示，对多载波信号进行综合判决或矢量合成，进而抑制信号衰落的影响。
图2 信号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机所研究团队于2012年和2013年分别提出了基于多频光源的频率分集与双探测脉冲的相位分集方案，并取得了一定的效果。响应带宽以Φ-OTDR为代表的DAS技术，是通过向光纤内发射问询脉冲来获取全线路数据的，相邻问询脉冲的时间间隔受到光纤长度的限制。光纤长度越长，系统问询脉冲的间隔越大，光纤各位置的数据采集间隔变大，响应频率与响应带宽下降。为了获取较为丰富的高频信息，满足声波检测等应用需求，多采用牺牲传感范围的方式来获取较高的响应带宽。在电缆局部放电检测、大型结构健康等领域，对传感范围和响应带宽均提出了较高的要求。为解决两性能参数的相互制约难题，2014年，上海光机所团队率先提出了多色光并行采样的思想。多色光并行采样方法通过频率标记方式解决相邻脉冲信号混叠与脉冲间隔受限问题，在不牺牲传感范围的情况下有效地提升了系统响应带宽，实现了9.6 km传感范围、0.5 MHz响应带宽的分布式传感。日本NTT学者借鉴这一思想，在5 km传感长度上实现了80 kHz响应带宽；南京大学利用330 m超弱光栅阵列，结合多色光并行采样，实现了440 kHz频率的信号探测。2015年，重庆大学团队提出了周期非均匀采样方式，利用频率调谐对非均匀脉冲序列进行标记，可以在不加宽探测带宽的情况下提升频率响应，先后在3 km光纤长度实现了最大30 kHz频率响应，在10 km实现了超过50个频率成分的稀疏宽带信号探测。
图3 多色光并行采样和响应带宽提升空间分辨率空间分辨率决定了系统的定位精度与相位解调精度，通常是由问询脉冲的宽度决定。压窄脉宽可以优化空间分辨率，但是会恶化系统信噪比和传感范围。在一些特定应用场景中，如列车轮轨在线检测、大型结构健康检测等，传感范围和空间分辨率都是非常重要的指标。为了满足大传感范围、高定位精度的应用需求，中科院上海光机所率先引入了光学脉冲压缩反射计技术与微波雷达的调频脉冲压缩概念，将空间分辨率映射至光波频域，实现了75 km传感范围下的亚米级空间分辨率。此外，上海交通大学提出了融合光频域反射（OFDR）与脉冲斩波技术的时间门控OFDR（TGD-OFDR）技术，通过对光波频率的调谐控制，分别实现衰落抑制、带宽提升、空间分辨率优化等目的。电子科技大学先后采用拉曼放大、布里渊放大、混合分布式放大等技术，对系统的传感范围进行提升，实现了最高175 km范围的分布式监测。
广阔应用需求与技术日趋完善的相互推动
DAS因其独特的优势，吸引着越来越多领域的专家前来寻找行业突破，同时对DAS技术完善提出了越来越高的要求。历经十余年的发展，DAS已经在多个领域发挥着不可替代的作用，尤其是长距离、大范围、时空密集检测的应用场景，包括周界安防、交通运输、地球物理勘探、结构健康监测等领域。研究人员也针对各个领域的个性化应用需求，对DAS技术进行不断完善。
图4 广阔的应用市场在周界安防领域，相较于常规手段，DAS具有环境适应性强、隐蔽性高、监测范围大、分布式无盲区等优点。但是，如何根据DAS探测到的大量复杂信号判断光纤沿线发生了什么扰动、什么性质的入侵，是一项技术难题。在铁路运输领域，DAS技术将无源光纤作为传感与传输器件，可以实现光纤沿线扰动信号的空间连续感知。它具有抗电磁干扰、可长距离分布式测量、单位距离成本低、无需现场供电等特点，能够很好地弥补现有点式电磁学传感技术的缺点，符合铁路运输领域的应用需求，可以较为快速地融入到现有铁路线路中，并已经得到重要应用。
图5 基于DAS的铁路沿线安全检测油气资源勘探也是DAS技术的一项重要应用。常规油气资源勘探技术采用点式电子检波器，具有部署效率低、大规模实验耗时长等弊端。DAS利用常规的通信光纤作为传感器件，成本低廉，而且可以在钻井、完井、生产等全生命周期发挥作用，优势显著。此外，由于光纤具有尺寸小、质量轻等特点，易于嵌入到航空航天复合材料、建筑材料、土壤介质等结构中，利用DAS可以方便地获取材料内部的声发射信号，实现材料与结构的永久性在线监测。
未来发展趋势和挑战
DAS技术已经不断趋于成熟，应用市场不断扩大，前景一派欣欣向荣。最近，国外学者提出采用既有的地下通信光纤，构建地球地质分析与重大自然灾害（地震）探测的大规模监测网络。这一发展方向可以挖掘DAS的大范围空间连续感知优势，重新激活全球地下所有冗余的通信光纤资源，具有非常高的市场价值和发展潜力。虽然DAS技术已经得到了长足发展，但是尚未完全成熟，依然存在重要的技术瓶颈需要攻关，主要包括灵敏度提升、多维探测和新的数据处理范式等几个方面。DAS技术的灵敏度，相对于分布式传感技术而言，是比较高的。但是，与常规点式传感技术相比，还具有很大的差距。若要大规模应用DAS技术，需要对这一技术的灵敏度进行大幅度提升，使其接近现有点式传感器件的水平，才能真正替代各应用领域的现有技术手段。同时，现有DAS探测能力依然受限于光纤轴向一维结构，尚且难以实现扰动源的三维定位与信号的多分量探测，在一定程度上限制了DAS的技术性能和应用范围。
图6 分布式二维/三维定位探测与无人机反制此外，DAS的长距离、空间密集采样和时域密集采样特征产生巨量的传感数据，如何将巨量的原始数据实时转化为有用的传感信号需要发展新的数据处理方法和算法。总而言之，DAS技术为物理世界的感知提供了变革性技术手段，对推动科学研究和人类社会的智能发展具有重要意义。课题组介绍 中国科学院上海光学精密机械研究所蔡海文研究员科研团队近二十年来，以光电子器件和光纤信息技术为基础，聚焦信息的精准感知与传递及前沿应用，以激光产生、传输、探测过程的光波特性精密测量与调控为特色，以更精、更准和更广泛应用为目标，从器件、系统和应用多层面研究开发精准信息感知与传递的新理论和核心技术，致力于为国防、工业和科学研究提供高端精密光子器件、极致光纤传感和超高精度时空基准分发等精密光子技术供给。 主持承担的科研项目有国家自然科学基金（重点、面上）项目、军科委前沿创新项目、航天型号项目、国家863重点项目、中科院重点部署项目、上海市科委重大科技攻关项目等多项国家级和省部级项目。科研团队先后荣获2016年度上海市技术发明奖一等奖、2017年度中国专利优秀奖等荣誉和奖项，成果入选“伟大的变革”改革开放四十周年展。
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