Φ-OTDR型分布式全光纤传感器研究进展

施 羿，封 皓，曾周末

(天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072)

Φ-OTDR型分布式全光纤传感器研究进展

施 羿，封 皓，曾周末

(天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072)

光时域反射型分布式全光纤传感技术相比于其他光纤传感技术，具有探测范围广、定位可靠性好以及定位精度高的优势。其中，相位型光时域反射(Φ-OTDR)技术更是具备了极高的探测灵敏度和动态响应能力，能够实现实时振动信号检测。该技术还具备在长距离管道监测、周界安防和结构健康监测等领域应用的潜质。但是传统的Φ-OTDR系统由于响应频率较低、探测信号失真等问题，无法全面满足实际应用要求。近年来，在国内外广大研究学者的努力下，Φ-OTDR技术实现了多方面的突破，逐渐走向成熟并成功实现现场应用。回顾了近20年来国内外Φ-OTDR技术方面的研究成果，总结和评价了Φ-OTDR技术在频率响应能力提升、动态响应范围提升、相位解调波形还原以及后期数字信号处理等方面所取得的研究进展，并对未来Φ-OTDR技术的应用与发展趋势进行了展望。

Φ-OTDR； 分布式光纤传感； 振动传感； 频率响应； 动态响应； 数字信号处理； 管道监测； 相位解调

0 引言

分布式全光纤传感器(distributed optical fiber sensor，DOFS)以光纤为传感元件和传输介质，实现对传感光纤沿线物理变量的探测。光时域反射技术(optical time domain reflectometer,OTDR)是通过向传感光纤注入探测脉冲光，通过探测和分析背向散射光，实现对光纤沿线物理变量探测的技术。

根据传统OTDR-DOFS原理和结构，提出许多新型的传感原理和传感结构，如基于相位敏感的Φ-OTDR技术、基于偏振敏感的P-OTDR技术、基于布里渊散射的B-OTDR技术等。Φ-OTDR通过使用强相干光源，使得背向瑞利散射光能进行稳定干涉，从而具备动态响应能力和极高的探测灵敏度，近年来得到了许多研究学者的关注。本文对近20年来Φ-OTDR技术的研究、发展和应用情况进行了回顾，并对Φ-OTDR技术的发展趋势和应用前景提出了展望。

1 Φ-OTDR技术

传统OTDR技术通过检测探测脉冲光的背向瑞利散射光的光强来感知光纤沿线状态，只能响应如光纤弯曲、折射率突变等静态事件，而对振动等动态事件无法响应。Taylor等[1]于1993年提出使用超窄线宽激光器作为光源，从而使得探测的光强信号是脉冲内所有背向瑞利散射光的干涉结果。Φ-OTDR基本结构如图1所示。

图1 Φ-OTDR基本结构图

Φ-OTDR探测信号如图2所示。

图2 Φ-OTDR探测信号示意图

当振动对光纤产生影响时，背向瑞利散射光的相位将随着振动而改变，经过脉冲内干涉，将探测到变化的光强信号，从而实现动态检测。由于振动信息搭载在散射光的相位上，而光相位对于光纤形变与光纤应力状态极其敏感，因此Φ-OTDR技术拥有极高的探测灵敏度。

优秀的动态响应能力和可靠的定位性能使得Φ-OTDR技术在出现后得到充分研究，并迅速向实用化和产业化发展。

2 研究热点

Φ-OTDR拥有动态响应能力，但要实现现场应用，仍有许多问题需要解决，如频率响应不足、探测结果失真等问题。这些问题也成为近年来Φ-OTDR领域的热点问题。

2.1 提升频率响应能力

由于Φ-OTDR采用反射式结构，其最大频率响应能力(即频率响应上限)受到最大传感距离的限制：

(1)

式中：vg为光纤中光速；L为最大传感距离。当传感长度为10 km时，频率响应上限仅为500 Hz。这对于某些振动事件，如人工挖掘，是远远不够的。近20年来，学者们为提高Φ-OTDR的最大响应频率，提出了多种改进结构。

2.1.1 干涉仪复用结构

光纤干涉仪同时具有动态响应能力和极高的频率响应能力，但定位能力较差，与Φ-OTDR技术正好成为互补。

2013年，Zhu Tao等[2]提出使用调制脉冲的方式。该方式将马赫-曾德干涉仪(M-Z干涉仪)与Φ-OTDR相结合，其探测频率范围为10 Hz～3 MHz，探测距离1 064 m。其改进的系统结构采用同向的一长一短两个脉冲调制光作为探测信号光(窄脉冲和宽脉冲)。当传感光纤感受到振动时，由窄脉冲产生的瑞利背向散射光将直接感知振动的位置信息。而宽脉冲则在传感光纤尾端与参考光相干涉，形成M-Z干涉仪，将光相位携带的高频振动信息转变为光强变化。之后，在计算机中将所探测到的干涉仪信号经过快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)得到振动的频率信息。但是，由于此结构中，调制的长脉冲在传感光纤中引入了强的背景散射光，使得Φ-OTDR所得到的散射信号质量下降，需要仔细调节长短脉冲能量比例。

同年，He Qian等[3]提出另一种光路结构。该结构采用分时复用策略，分别实现M-Z干涉仪与Φ-OTDR的功能，将系统的探测频率上限提高到6.3 MHz，探测距离为1 150 m。由于系统使用分时方式隔离干涉信号与散射信号，信号之间不会相互干扰，使信号质量得到提高。但是，由于采用分时复用结构，导致M-Z干涉仪的探测信号不连续，无法得到完整的振动信号。

2016年，本课题组Shi Yi等[4]提出使用一种双光源M-Z干涉仪与Φ-OTDR波分复用结构，具体如图3所示。

图3 M-Z干涉仪与Φ-OTDR波分复用结构图

通过波分复用的方式，能够在保持Φ-OTDR良好信噪比的同时，获得连续的M-Z干涉仪信号，从而能够得到完整的振动信号。测试表明，其频率响应上限几乎仅受制于采集硬件的采样速度。在100 MHz的采样频率下，得到的高频振动响应如图4所示。

图4 100 MHz采样率下的高频振动响应示意图

2.1.2 多脉冲调制结构

另一种提高频率响应的思路则是通过频繁地注入脉冲，从而使采样点更加密集，进而提高响应频率上限。但是，脉冲注入间隔变短，将引起瑞利散射曲线重叠。因此，如何有效避免或消除瑞利散射曲线的重叠问题，成为该方案的关键。

2014年，He Qian等[5]提出使用驱动频率分别为80 MHz和100 MHz的两个声光调制器(acoustic optical modulator,AOM)所产生的脉冲对来替代单一的输入脉冲；在光电接收端通过解调手段，同时分别获得两个脉冲的瑞利散射信号；再在计算机中将两条瑞利散射曲线合并，得到最终探测信号。此方案可提高系统的整体频率响应能力。

2015年，Wang Zhaoyong等[6]使用电光调制器(electro-optic modulator,EOM)进行精细的光频控制，实现了逐步变频脉冲组，完成了上述He Qian结构的进一步增强。在试验中，其通过一次注入100个脉冲，每个脉冲之间，光频率仅相差1.5 MHz，成功在9.6 km探测光纤上检测到了0～500 kHz的扫频振动信号。

脉冲组探测方案，一方面，光频率的不同将引入系统误差，因此频率上下限差距不易过大；另一方面，为了得到良好信噪比，频率间隔不宜过小。目前，其最小频率间隔主要受光电探测器以及频率分辨电路的性能制约，相信随着未来相应硬件技术的发展，基于该策略的系统结构将取得更好的性能。

2.2 扩大动态响应范围

动态响应范围，又可被称为最大传感距离，是指Φ-OTDR系统可接入传感光纤的最大长度，动态范围的值越大，即可测量的光纤链路也越长。考虑系统噪声分布，可将动态范围表达为：

(2)

式中：P0为首端散射光功率;PD为光电探测器可响应的最小光功率；Z为传输损耗；C为系统中的其他损耗，如耦合器损耗、插入损耗等；SNR为振动信号的信噪比。

从式(2)可以发现，想要提高Φ-OTDR系统的动态响应范围，可以从以下几个方面入手。

2.2.1 提高探测光功率

在早期研究中，入射光功率较低，研究人员可以通过提高光源功率以提高系统动态范围。但是很快研究人员便发现，当入射光峰值功率到达300 mW左右时，由于光纤内部的非线性效应(如自相位调制、受激布里渊散射等)，各个光脉冲的散射信号将不再重合，而是产生振荡。若继续增加入射光峰值功率，由于入射光能量被非线性效应快速消耗，导致系统噪声迅速上升，从而无法提高动态范围。

2.2.2 提高光电探测效率

由于瑞利散射系数小(0.15 dB/km)，入射光功率也较低(峰值功率200 mW左右)，需要使用微弱光光电转化器件，如PIN探测器、雪崩APD探测器、平衡探测器等。早期研究中，通常使用直接检测的方式进行散射光探测。直接检测是直接利用光电探测器将瑞利散射光转换为电信号。这种方案结构简单，但所探测的光强信号较微弱，信噪比较低。之后，有学者[5-6]将外差探测引入Φ-OTDR系统，以有效提高光电探测器处的光功率，抑制探测器噪声，提高探测信号的信噪比。

在外差检测中，将部分光源发出的光作为本振光，在探测器前，将本振光与瑞利散射光相干涉，产生高频的拍频信号，再由高速光电探测器转换为电信号，之后经过降频和解调提取所需信息。相比于直接探测，外差探测的信噪比较高，但结构更为复杂，且需要高速光电转化和高速滤波电路，成本相对较高。另一方面，由于本振光偏振态是不变的，而瑞利散射光的偏振态是随着反射中心而变化的，因此在某些特定点会出现严重的偏振状态导致的信号衰落，进而影响定位能力。在需要同时进行多点探测的场合，这是不利的，此时更适合使用直接探测法。

2.2.3 补偿传输损耗

在传统Φ-OTDR系统中，通过在探测光入射端使用掺饵光纤放大器(erbium-doped fiber amplifier,EDFA)进行光功率的点式集中放大，使得入射功率受到光纤内非线性效应的限制。因此，研究学者们转而寻求分布式的放大方式，力求在传感光纤沿线保持光功率水平，进而提高系统动态响应范围。

2009年，饶云江等[7]首次将双向分布式拉曼放大技术引入Φ-OTDR系统，通过拉曼效应分布式放大探测光，使得光功率在整个传感范围内将持续保持较高值，但又不超过非线性效应阈值，避免了非线性效应，使得探测距离得到极大的提高。现场测试表明，其系统探测距离达到62 km，已经能满足大多数长距离探测应用，如油气管道监测、周界安防检测等。之后，通过对拉曼泵浦功率的优化[8]，传输距离提高到74 km。

双向拉曼泵浦的分布式放大克服了光纤中非线性效应的限制，但是拉曼泵浦光和探测光波长相差约100 nm(1 550 nm探测光下)，泵浦光波长并不在光纤的低损耗窗口内，导致注入的泵浦光功率需要达到1 W以上。为了降低泵浦功率，2014年，Wang Z N等[9]提出使用布里渊泵浦光。布里渊泵浦光波长与探测光波长仅相差0.8 nm(1 550 nm探测光下)，其光功率转化效率是拉曼泵浦的1 000倍。试验表明，布里渊泵浦的初始功率仅需6.4dBm，即可达到28 dBm拉曼泵浦的效果，探测距离增长到100 km。之后，Martins H F等[10]通过引入二阶拉曼泵浦，进一步提高泵浦光的利用率，使得探测光功率的分布更加均匀，探测距离提升至125 km。最后，Wang等[11]结合一阶拉曼泵浦、二阶拉曼泵浦和布里渊泵浦，通过拉曼泵浦光同时对布里渊泵浦光和探测光进行衰减补偿，将探测距离提升至175 km，同时，探测光功率在光纤沿线的分布也更加均匀。

2.3 实现相位解调及振动波形还原

在Φ-OTDR系统中，利用相干瑞利散射将振动引起的光相位变化转化为光强度变化，这一过程使得检测散射光相位成为可能。但是，由于这一过程并非线性，容易导致检测信号失真。为了得到原始的振动信号，采用光强信号进行相位解调，实现振动波形还原。

2013年，Masoudi A等[12]使用3×3耦合器构成干涉解调仪，实现了瑞利散射光的相位解调。试验结果表明，解调后相位波形与所施加振动波形一致。但是，该方案需要额外搭建干涉仪结构，同时保证干涉仪恒温的工作条件，结构较为复杂。

Alekseev A E等[13-14]则分别在2014年以及2015年提出使用时域调制双脉冲法以及频域调制双脉冲法来实现相位解调，以及振动强度和波形的定量检测。

时域调制双脉冲法，是将单一的输入脉冲改为输入脉冲对，通过相位调制使得脉冲对内的两个脉冲之间获得0、120°和-120°的相位差，通过对三种脉冲对的瑞利散射曲线的联合解调，得到相位信息，提高系统对噪声的抑制能力。

此方案的优点是引入对称解调，可以直接得到振动所引起的相位变化信息，并且有效避免瑞利散射中信噪比衰落的问题。但是，为了满足对称解调的需要，对三种脉冲对的一致性要求大幅增加，系统的抗干扰性较差，不适合现场应用。

频域调制双脉冲法，是将注入脉冲对分别进行频率偏移，得到频率不同的两个脉冲组成的脉冲对。但是，该方案的解调信号中始终存在一个相位误差值。在精确测量应用中，需注意该误差项。

2016年，Wang Z等[15]进一步简化硬件结构，提出在光路中加入零差检测以及90°的相移器，在光路层面实现I/Q正交解调，从而快速、低廉地实现瑞利散射光的相位解调。该方案硬件结构较为简单，但解调效果很大程度上受到相移器性能的影响。

2.4 数字信号处理-信号优化

信号处理是Φ-OTDR系统的重要组成部分。通过合适的信号处理手段，可以廉价而有效地提高系统信噪比；通过合适的信号提取手段，可以更充分地利用瑞利散射光所携带的信息。

由于噪声(如杂散光、光源噪声、电噪声等)的影响，瑞利散射曲线需要经过多次叠加才能得到稳定的曲线。2010年，Lu Yue等[16]基于Φ-OTDR探测原理，提出移动平均算法和移动差分算法来处理数据，在不大幅降低频率响应能力的情况下，有效提高处理后信号的信噪比。其算法处理效果好、运算速度快，是Φ-OTDR系统的标准处理手段，是很多改进型算法的基础。

同年，为了更好地解决脉冲光峰值功率波动引入的探测噪声，Qin Zeng等[17]又引入小波降噪措施，使得系统信噪比得到进一步加强。由于引入小波降噪，使得更不稳定的短脉冲(<1 ns)可以应用于Φ-OTDR系统，其试验得到了0.5 m的空间分辨率。

2013年，Zhu T等[18]提出一种基于2D图像边缘检测的信号处理方法，在50 ns的脉冲宽度下得到了3 m的空间分辨率，有效提高了Φ-OTDR系统的探测效率。

2016年，Soto M A等[19]提出利用探测迹线之间的冗余性，在时空图上使用2D或3D图像复原技术，成功实现了近100倍的信噪比提升。

通过数字信号处理手段提升信噪比、提高空间分辨率、提取深度信息和实现信号识别将一直是Φ-OTDR技术研究的热点。

3 结束语

本文回顾了近20年来Φ-OTDR系统的研究热点和最新研究新进展，包括提升最大频率响应能力、提升动态响应能力、实现相位解调、信号还原等研究热点，以及数字信号处理等辅助手段研究。

Φ-OTDR的优势在于可多点同时定位、感知灵敏度极高。一方面，可以应用于长距离的监测，如油气管道、周界防等；另一方面，也可以应用于精密测振，如结构健康监测、声发射探头等。虽然目前的研究极大地提高了Φ-OTDR系统的探测能力，但是在实用化之前，仍然还有许多亟待解决的问题：①在现实应用中，如何通过精确测量振动，实现振动事件类别识别；②在长距离环境下，如何有效排除风、雨等自然环境对光纤造成的干扰；③在精密测量和定量检测中，如何解决解调系统在现场环境下的应用与可靠性问题。

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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

国家自然科学青年基金资助项目(61304244)、教育部基金资助项目(20130032120066)、教育部博士点基金资助项目(20130032130001)

施羿(1990—)，男，在读博士研究生，主要从事光纤传感技术、信号分析与处理、测控技术与仪器的研究。 E-mail:shy_xflx@163.com。 封皓(通信作者)，男，博士，副教授，主要从事光纤传感、测控技术与仪器、智能传感器的研究和教学工作。 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