基于Φ-OTDR的海光缆扰动监测技术原理及研究进展*

何成波，吴学智，隗小斐

（海军工程大学 电子工程学院，湖北 武汉 430033）

0 引 言

海底光缆通信具有传输距离远、容量大、损耗低、可靠性高，以及抗干扰和保密性好的优点，是国际、洲际之间，大陆与岛屿，岛屿之间通信的主要技术手段[1]。近年来，海底光缆还被广泛应用于海底科学观测，军事、海防通信，海洋资源开发等领域，仍会维持较高市场增长率[2]。随着海上运输、渔业捕捞、军事活动等人为导致的海光缆阻断事故频繁发生，经济损失巨大，严重影响我国国际通信安全[3]。发展海光缆监测技术，对实现海光缆故障预警及安全防护，有效提高海光缆通信可靠性，十分必要。

传统的故障定位方法是使用光时域反射仪（Optical Time Domain Reflectometer，OTDR） 测试无中继海光缆，相干光时域反射仪（Coherent Optical Time Domain Reflectometer，C-OTDR）测试长距离有中继海光缆中的后向瑞利散射光强，来判断非正常衰减和菲涅尔反射等现象并迅速故障定位。也有通过监测海光缆保护套破损来监测海光缆侵害故障[4]。但这些方法都是在海光缆阻断事故发生后进行故障定位，没有预警功能。为了监测海光缆阻断隐患，提前采取措施，防止阻断事故发生，人们提出了基于双M-Z（马赫－曾德尔）光纤振动传感技术的海底光缆应力监测系统，研究了布里渊散射光时域反射技术（BrillouinOptical Time Domain Reflectometry，BOTDR）的海光缆监测、基于C-OTDR的海光缆安全监测技术以及基于相位敏感光时域反射技术（Phase-Sensitive Optical Time Domain Reflectometry，Φ-OTDR）海光缆扰动监测技术[5-8]。这些技术通过监测海光缆的温度、应力和扰动信息达到提前预警的目的。相位敏感光时域反射技术（Φ-OTDR）以其监测距离远，灵敏度高，不需形成回路等优势成为海光缆监测技术研究的重点。

1 基于Φ-OTDR的安全监测技术

Φ-OTDR由美国TAMU的Taylor和Lee提出，目前已经发展成在周界安全防护，光缆监测，管道线路监测等领域广泛应用的分布式振动传感技术。

1.1 Φ-OTDR技术基本原理

光纤由于制作工艺原因造成的密度不均匀，导致光在光纤中传播发生瑞利散射现象。除了沿光纤长度方向外的瑞利散射光都会迅速衰减消失。OTDR技术的基本原理就是通过向光纤中注入探测信号，采集被测光纤中探测信号的后向瑞利散射信号的衰减信息，完成对光纤沿长度方向损耗分布测量。Φ-OTDR传感系统与传统OTDR不同的是，采用了窄线宽相干光作为探测光。Φ-OTDR光纤振动传感系统基本结构如图1所示。当被测光纤受外界扰动后，由于弹光效应，被测光纤的相应位置的长度和折射率发生变化，引起了探测光后向瑞利散射光的相位变化，从而被测光纤的扰动信息被系统探测采集。

图1 Φ-OTDR光纤振动传感系统基本结构

1.2 Φ-OTDR传感系统主要性能指标

评价Φ-OTDR传感系统的主要性能指标有，信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）、空间分辨率（Spatial Resolution，SR）、动态范围（Dynamic Range DR)、响应频率以及传感距离。

信噪比（SNR）是传感系统探测光的瑞利散射光强度与噪声光强度的比值。用Ps表示探测光后向瑞利散射光强，用Pn表示噪声光强，则SNR=101g(Ps/Pn)SNR是表征系统传感质量的重要指标。因为光在光纤内传播呈指数衰减，通常SNR也随着传感距离增加而降低。

空间分辨率（SR）是表示系统可以探测出被测光纤上两个扰动点之间最小距离。用Tp表示探测脉冲时间宽度，n表示光纤折射率，c表示光在真空中的速度，则传感系统的空间分辨率可表示为

由式（1），Tp越小，空间分辨率越精确，但减小Tp，会降低系统频率响应性能。实际上，系统SR还受到A/D转换频率和光电探测器带宽的限制。

动态范围（DR）是探测光在光纤始端的后向瑞利散射光和噪声光功率峰值之差，是系统主要性能指标，决定了系统的探测距离。用Pso表示光纤始端探测光后向瑞利散射光功率，Pnmax表示噪声光功率峰值。则动态范围可表示为

实际上动态范围也可用式（3）表示，其中Sr表示光捕获因子，α表示光纤传输损耗，C表示系统接收后向散射信号的损耗，SNIR表示信号处理后动态范围的提升量。

响应频率是指系统可以探测到被测光纤受到扰动的频率范围。用L表示被测光纤长度，vg表示探测光传播群速度，fp探测光脉冲重复频率，为避免探测脉冲发生混叠，有

探测光频率决定了扰动信息的探测频率，由奈奎斯特采样定理，有系统可探测扰动频率最大值fmax满足式（5）

可探测最小扰动频率由系统中存在的噪声决定。传感距离表示系统可以感知的最大长度，是光缆、电缆、管道监测等应用中人们非常重视性能指标。传感距离通常由系统SNR和探测光功率决定，同时又和探测光脉冲时间宽度有关。为了避免后向瑞利散射信号混叠，系统探测距离应满足式（6）。

由式（6），降低fp可以有效增加传感距离，但由式（5）可知系统的响应频率也会随之降低，损害了系统的综合性能。

1.3 Φ-OTDR技术研究进展

自Φ-OTDR技术问世，各种不同的技术和数据处理方法被用来改进Φ-OTDR技术性能，极大地推进了Φ-OTDR技术的发展和实际应用。

1.3.1 提高信噪比

早期提高Φ-OTDR系统SNR的方法是提高探测脉冲光的峰值功率和脉冲时间宽度Tp。由于光纤中非线性效应的限制[9]，过高的探测光功率会损害传感系统性能，并不能无限提高信噪比。由式（1）可知，增加Tp提升信噪比的方法，实际上牺牲了系统的空间分辨率性能。2010年，来自哈尔滨工程大学的吕月兰副教授和她的小组，提出了通过外差检测和移动平均、移动微分相结合的方法来有效提高Φ-OTDR系统信噪比[10]。2011年Qin Zengguang、Zhu Tao等人提出了基于保偏光纤的外差检测方法，进一步提高了Φ-OTDR系统的信噪比[11]，但这种方法成本高，不利于技术实际应用。2014年Qin Zengguang等人提出通过小波变换降低噪声，提高信噪比[12]。Muanenda Y等人提出使用循环编码技术处理探测光，通过光脉冲编码，快速去噪声，将系统信噪比提高9 dB[13]。

Chams Baker等人提出使用高校光比探测脉冲光，降低后向瑞利散射信号背景噪声，提高信噪比[14]。Loranger等人报道了一种增强瑞利后向散射信号的方法，用于改善Φ-OTDR系统的信噪比[15]。Fernández-Ruiz Maria R.等人，分析了不同探测光脉冲形状对系统性能的影响，实验证明使用三角形或高斯型脉冲可以有效提升探测距离[16]。Qin Zengguang等人，提出了一种新的基于经验模态分解的消噪方法，以提高Φ-OTDR系统中振动传感的信噪比[17]。Pastor-Graells Juan等人，受啁啾脉冲放大技术概念的启发，提出了新的数据方法，提高了Φ-OTDR系统的信噪比比传统结构系统高出20 dB[18]。

1.3.2 提高响应频率

2013年Hugo .F，Martins等人通过在装置中使用半导体光放大器，抑制相干噪声，改善泵浦脉冲的光谱响应，将相应频率提高到39.5 kHz，但探测距离只有1.25 km[19]。Fernández-Ruiz Maria R.等人，分析了不同探测光脉冲形状对系统性能的影响，实验证明使用三角形或高斯型脉冲可以有效提升探测距离[16]。为了避免探测光脉冲后向瑞利散射信号的重叠，探测光脉冲重复时间必须大于光在被测光纤中的往返时间。这导致传感距离限制了系统的相应频率性能。对此提出了类似于波分复用的技术，通过时域排序多频光源的Φ-OTDR[20]。D. Iida等人，在探测光中使用频率编码脉冲序列，实现了20 m的空间分辨率和80 kHz的频率响应[21]。Wang Z等人，在探测距离10 km的基础上响应频率达到0.5 mHz，远远超过了传统单一探测脉冲频率时，探测距离10 km，响应频率10 kHz的理论极限值[22]。2013年，Q.He等人将马赫曾德干涉仪和Φ-OTDR技术相结合，实现了探测距离为1 150 m，5米的空间分辨率和6.3 mHz的相应频率[23]。2019年Yuan Quan，Wang Feng 等人提出通过二次微分法补偿系统探测激光频率漂移影响，在6 km的被测光纤上实现了0.1 Hz的低频扰动的响应，扩展了Φ-OTDR技术的频率响应范围[24]。

1.3.3 提高空间分辨率

通常，Φ-OTDR系统的分辨率大多在5 m、10 m甚至20 m。一定限度内，减小，增加探测脉冲功率峰值，都是提高空间分辨率的有效方法，但过小的Tp会导致系统SNR降低，传感范围减小。过高的探测脉冲功率峰值，会导致非线性效应以及调制不稳定性性效应，不利于系统性能提升。调制不稳定性可以在传统光纤上引起长距离Φ-OTDR中的位置相关信号衰落。这种衰落导致在某些位置记录的干扰信号被完全屏蔽，从而导致系统空间分辨率降低[25]。上海大学的李岳阳等人，提出了新的数据处理方法，在探测光脉冲宽度为100 ns的情况下，将空间分辨率由探测光脉冲宽度决定的10 m提升到2 m[26]。2017年上海光学精密机械研究所全固态激光与应用技术重点实验室的Lu Bin等人，提出了使用扫描脉冲技术的Φ-OTDR系统，将系统空间分辨率提升至0.3 m[27]。2017年，西班牙，阿尔卡尔大学的J. Pastor-Graells等进一步将Φ-OTDR系统的分辨率提高到0.018 m[18]。

1.3.4 增加探测距离

大多数的Φ-OTDR传感系统都是通过光放大来增加探测光功率来提高系统动态范围，增加探测距离，但过高的探测光功率会导致光线中的非线性效应，是系统性能严重下降。

电子科技大学饶云江等人，将掺铒光纤放大技术和拉曼放大技术相结合，把Φ-OTDR系统传感距离增加到了62 km[28]。Hugo F. Martins等人利用一阶拉曼放大，将Φ-OTDR系统探测距离提高到了125km[29]。2014年，电子科技大学的彭正谱等人优化探测脉冲光和拉曼泵浦光功率，降低非线性效应对系统的不良影响，实现了103 km的探测距离[30]；Peng Fei等人通过分布式拉曼放大和相干检测的方式，将系统传感距离增加到了131.5 km，空间分辨率为8 m[31]。2015年，电子科技大学的曾佳佳提出了分区型分布式放大技术，使用了3种不同的泵浦方式，将Φ-OTDR系统的探测距离增加到了175 km[32]。

2 基于Φ-OTDR的海光缆安全监测技术的应用

2.1 海光缆安全监测技术

海底光缆安全监测技术包括了海光缆的故障预警和故障定位。早期海缆的故障定位技术有：通过OTDR定位无中继的短距离海缆故障，通过COTDR定位有中继长距离的海缆故障。在海缆发生绝缘故障时，根据短路和开路故障又有供电设备 压降测试、小电流测试、脉冲回波测试、25 Hz探音测试以及电容测试[33]。2006年解放军理工大学的周华等人，提出了一种新的基于BOTDR和声纳的海底光缆事件监测系统[34]。海军工程大学的周学军教授也对BOTDR在海底光缆监测中的应用进行了研究[6]。2008年南京大学李响等人设计了监测海缆绝缘故障的海底光缆绝缘层监测系统[4]。2011年，浙江工业大学的胡文侃基于布里渊散射光时域分析和激光干涉原理，通过在电缆中内置光纤，设计了海底电缆在线综合监测系统[35]。2012年，上海海事大学的李高健等人利用地理信息系统和布里渊散射原理，建立分布式海底电缆监测系统，实现故障位置的快速准确定位[36]。2014年，华北电力大学的Zhao Lijuan把BOTDR技术应用到了光电复合海缆的在线监测[37]。2019年华北电力大学的Xu Zhiniu等人基于BOTDR技术，对光线温度的实时监测，从而对海缆绝缘劣化的评估和定位，实现对海缆的安全监测[38]。

2.2 基于Φ-OTDR的海光缆安全监测技术

Φ-OTDR技术以其探测距离远、空间分辨率性能突出、建构简单、经济成本相对较低等特点，成为了分布式海光缆扰动监测的研究重点。2016年，中国人民解放军91469部队的董向华，利用海缆中现有的光纤为传感单元，基于Φ-OTDR技术实现了对海缆扰动信息的监测，实验表明该系统可预警和定位船只落锚振动和挂缆拖拽等会行为对海缆扰动，达到安全监测的目的[39]。2017年，厦门理工学院的朱凤杰，使用Φ-OTDR技术，实现了对海缆扰动的监测，定位精度为5 m[40]。海军工程大学的李少卿基于Φ-OTDR技术研究了海光缆的扰动监测技术，结合BP神经网络算法，实现了多种扰动模式的识别[8]。2018年华北电力大学的吕安强基于Φ-OTDR技术对三芯海缆进行锚害扰动的实时监测[41]。

2.3 基于Φ-OTDR的海光缆监测技术性能分析

近几年，Φ-OTDR振动传感系统的性能指标有了很大的改进。如前文所述，都是处于理论分析和实验验证，并没有商业化的产品问世。董向华在文献[39]中，仅对基于Φ-OTDR的海光缆监测技术进行了实验验证，并未提及传感距离，空间分辨率以及响应频率等性能指标。朱凤杰在论文[40]中，进行了海底电缆震动模拟实验，验证了基于基于Φ-OTDR传感技术的震动监测，空间分辨率为5 m。李少卿在文献[8]中，有效探测距离为106 km，经联系作者本人，其搭建的Φ-OTDR系统空间分辨率为5 m。吕安强等人在文献[41]中测试的Φ-OTDR系统的响应频率为800 Hz。

据统计，造成海光缆阻断事故的原因，三分之二是渔业捕捞和船只抛锚拖锚[42]。海光缆扰动监测存在的问题有：有效报警率低（漏报误报事件）、探测范围有限（80 km以内）、空间分辨率不高（约100 m）[42]。因此，探测距离、空间分辨率和响应频率是基于Φ-OTDR的海光缆监测系统的主要指标。

Φ-OTDR传感系统的空间分辨率最高已经达到了0.018 m。实际上，过高的空间分辨率性能和系统的探测距离是相冲突的。海光缆在敷设过程中有定余量控制，实际光缆的长度大于敷设路由的长度，通常布缆余量在1%～5%之间。因此一百米以内的空间分辨率已经能够达到要求。在综合系统其他性能的基础上，10、20 m的空间分辨率能够有效缩短，故障定位过程中打捞断缆的时间。

响应频率是指Φ-OTDR传感系统能够探测扰动的最高频率，由于船只锚害等主要威胁事件的振动频谱主要能量集中在基带，所以几百至上千赫兹的相应频率就能达到要求。但响应频率越高，系统可探测到的振动的频谱信息越多，越有助于对扰动信号进行模式识别，提高系统的有效预警率。

系统的探测距离应该于海光缆的通信距离相匹配，实际上，海光缆的通信距离动辄成百上千公里，甚至很多有中继的海光缆通信距离长达上万公里，而Φ-OTDR系统的探测距离只有100 km左右。所以基于Φ-OTDR的海光缆扰动系统探测距离指标应该是越高越好。研究超长距离多跨段的Φ-OTDR传感系统是人们下一步研究的重点。

3 总结与前景展望

相位敏感光时域反射技术（Φ-OTDR）具有监测距离长，单侧传感，空间分辨率高等优点，是海光缆扰动监测技术的最佳方案。介绍了Φ-OTDR的基本原理及研究现状，以及在海光缆监测领域的研究应用情况。分析了基于Φ-OTDR的海缆扰动监测技术的性能需求。

基于海光缆通信网的信息传输网、预警探测网和传感器网络的“三网合一”发展前景[43]和基于海光缆的缆系科学观测网建设，对海光缆扰动监测技术提出了更高的要求。基于Φ-OTDR海光缆监测技术发展的重要方向有：（1）研究过中继的Φ-OTDR扰动监测技术，提高传感距离，实现超长距离的扰动监测，是海光缆监测技术发展的重要方向。（2）研究基于时域排序多频光源的超高频率响应Φ-OTDR监测技术[20]。实现对威胁事件更多信息的采集和识别，提高系统有效报警率。（3）研究外部扰动威胁事件的全矢量信息，扩展Φ-OTDR传感技术在海光缆安全监测领域的应用[44]。