新型微结构光纤分布式声波传感技术及应用

刘德明， 贺 韬， 许志杰， 孙琪真

1.华中科技大学光学与电子信息学院，武汉430074

2.NGIA 国家工程实验室深圳分室，广东深圳518000

“深地、深海、深空”探测是人类探索自然、认识自然、利用自然的三大重要举措，关乎人类生存、地球管理与可持续发展.随着科学的发展，人们逐步认识到地球深部动力学过程与地表-近地表地质过程之间的紧密联系.通过地球深部探测，能够揭开地质过程与四维演化，为解决能源矿产资源可持续供应、提升地质灾害预警能力提供可靠的数据基础.

声波在人类生活环境中无处不在.声波虽然无法被肉眼观测到，但携带着丰富的环境信息，因此声波测量技术被广泛地应用于地震预报、资源勘探、管道监测和周界入侵安全监测等领域中[1-3].例如，基于声波测量的层析成像（computed tomography, CT）[4]是“深地探测”的热点技术，采用地下爆破作为声源并在地层介质中传递，通过追踪反射声波信号轨迹，可以探明数十甚至数百km 的地下结构，是地球深部探测的一种新手段.声学CT 可实现“透明地球”，具有高灵敏、非接触测量等优势.

随着监测范围的不断扩大，声波传感器的组网与规模化测量需求越来越高.然而传统的声波探测装置主要基于压电陶瓷片和电动式检波器等常规分立式电学传感器，在大规模组网中的供电和通信都极为困难且极其复杂.同时，电学传感器大多采用电池供电和离线数据获取，无法实现长期在线监测，且对深地高压、高温和强电磁环境的适应性较差.因此，发展新型的声波探测技术对于实现大范围、深地层、长期在线监测意义重大.

光纤分布式声波传感（optical fiber distributed acoustic sensor, OF-DAS）技术，是一种采用无源轻质的光纤作为声波感知敏感元件和信号传输介质的新型探测技术，利用光纤中后向散射光信号的光强、相位或频率等特征参量随声波信号的线性变化实现声场探测，具有抗电磁干扰、灵敏度高、绝缘性好、耐腐蚀、耐高温、部署简单、实时在线等优点，在应用中展现出极大的技术优势和极为广阔的市场前景，也受到越来越多研究者们的青睐.

经过近年来的发展，OF-DAS 技术已经在油气勘探、管道与铁路线安全监测等领域获得应用，作为传统电学声波检测技术的替代或补充.欧洲地球科学家和工程师协会（EAGEA）、国际勘探地球物理学家协会（SEG）等国际油气勘探领域的重大会议多次报道了OF-DAS 技术用于油气勘探方面的研究进展.2012年，文献[5]利用OF-DAS 系统开展了致密砂岩和页岩水力压力监测研究.2013 和2014年，文献[6-7]先后提出了OF-DAS 技术用于油气藏动态监测的解决方案，并实现了垂直地震测井（vertical seism prospect-well, VSP）.2017年，文献[8]进行了OF-DAS 技术在浅层地表探测的应用.2018年，文献[9]利用OF-DAS 技术实现了压强为8 个大气压的管道内气体泄漏的检测，文献[10]基于OF-DAS 系统实现铁路周界入侵监测，文献[11]采用OF-DAS 技术获得了较高质量的地震构造特征成像资料.

常规的OF-DAS 是基于普通光纤中极其微弱的自然光瑞利后向散射实现对外界参量的感知，人们在OF-DAS 相干探测方法和小波降噪算法及提升光纤后向散射光信号强度等方面进行了一系列研究[12-17]，但在实际应用中仍然存在着以下问题：1）光纤波导中连续微弱散射光信号的随机光学噪声严重影响了探测精度，难以满足精准观测需求；2）光纤波导的传输损耗导致传感信号的信噪比随链路长度增加严重恶化，难以满足大尺度监测需求；3）传感光信号频响带宽窄，难以满足智能识别AI 算法对于宽频信息获取的需求.由于分布式传感测量精度、监测范围和感知能力等性能受限，对于监测对象“听不准”、“听不远”、“听不全”，亟需研究新型传感光纤、机理及方法，突破探测精度、尺度和频响带宽等瓶颈技术.

本文提出一种新型分布式微结构光纤（distributed microstructure optical fiber, DMOF），通过精密光刻在光纤轴向上引入一系列离散分布的微结构散射点，实现光纤后向散射信号的有效增强，在传感信噪比和稳定性方面得到大幅提升.进一步，基于相位敏感型光时域反射技术（phase optical time domain reflection,φ-OTDR），采用相干外差探测方法和正交相位解调算法，研制了具有超高灵敏度的微结构光纤分布式声波传感（microstructure fiber distributed acoustic sensor, MF-DAS）系统，具备优异的探测性能并在石油勘探、地质结构探测、水下声呐、周界入侵监测和轨道探伤等领域中获得了很好的应用.

1 分布式微结构光纤及其传感技术

目前常规的分布式光纤传感采用通信光纤作为传感光纤.如图1所示，激光器发出的脉冲光信号在光纤中传输时受到光散射作用产生回传散射光信号，通过接收并分析散射光信号参量与对应位置光纤外界待测参量（应力、应变、声波、温度等）之间的关系，可以反演得到光纤沿线待测参量，实现分布式传感；通过计算自激光器到散射点的光脉冲行经时间，可以得到散射点的位置信息，实现分布式传感的精准定位.

通常，普通光纤的自然光散射效应都极其微弱，例如光纤瑞利后向散射系数仅为-50 dB，因此，传感光信号的信噪比极差，即传感信息被淹没在极强的噪声之中，给传感信号处理带来极大困难，这极大地限制了其在实际应用中的探测灵敏度和测量距离.

图1 基于自然光散射效应的普通光纤分布式传感Figure1 Distributed sensor of the ordinary optical fiber based on the natural optical scattering effects

1.1 分布式微结构光纤与微结构光散射增强

为增强普通光纤中的后向光散射效应以提升传感光信号的信噪比，本文提出在普通光纤的纤芯中采用精密光刻技术连续制备成千上万的微结构散射单元，以“人工干预”的方式对普通光纤的纤芯材料进行纵向微结构改性.通过精确控制物理参数连续制备沿光纤轴向分布的微结构单元来增强光纤后向散射强度并抑制链路噪声，进而构成新型DMOF，形成强度可控的离散分布后向光散射，提高传感光信号信噪比，实现高灵敏感知外界参量变化.DMOF 如图2所示，光纤中红色的局部缺陷点为一个微结构点，形成了增强的后向散射，对应的散射光信号的强度（红色高斯脉冲）显著高于光纤中随机瑞利散射点的信号强度（蓝色高斯脉冲）.沿光纤轴向设计一系列固定间隔分布的微结构点相当于在光纤中构建了一串离散分布的菲涅尔反射镜，可实现对后向瑞利散射光信号的增强，有效消除相干衰落并进而抑制链路噪声，从而可使光纤中传感信号信噪比提升30 dB.进一步通过控制不同散射强度微结构点的空间分布，可以均衡长距离传感链路中近端和远端的信噪比，有效解决当前单模光纤DAS 技术中存在的光信噪比低、传感距离受限等难题.

图2 DMOF 的结构示意图Figure2 Schematic of distributed microstructure optical fiber

在只有不到10 μm 芯径的纤芯中连续制备微结构单元难度极大，需要解决精密程控光纤传动、连续直写精密光刻等关键技术.自主研制的DMOF 在线制备平台如图3所示，通过设计精密程控光纤传动装置和激光连续直写装置，在纵向连续刻写过程中从精密对准、精准耦合、精确定位、精细调控、连续传动等方面进行控制，实现光纤纵向上连续微结构制备.激光曝光区域引入局部缺陷，从而增强该点后向散射光信号的强度.在整个制备过程中结合光外差相干探测的光时域反射技术对光纤中后向散射光强度进行实时监测，以确保整根光纤上微结构的一致性.基于自主研发的工业级制备装置成功制备了DMOF，实现的技术指标为：单纤长度达50 km、最小间隔0.4 mm、微结构散射系数10-5～10-2范围内可调、散射强度均匀性优于0.5 dB.

图3 DMOF 的在线制备工艺图Figure3 Schematic of the on-line fabrication platform of DMOF

为了证明DMOF 对后向散射光的增强特性，采用如图4(a)所示的装置对制备的样纤进行测试.放大的自发辐射（amplified spontaneous emission, ASE）光源发出C 波段宽谱光信号由环形器送至传感光纤中，光纤中后向散射光再通过环形器返回到光谱分析仪（optical spectrum analyzer, OSA）中测量其光谱特性.测试结果如图4(b)所示，可以看到相比于普通单模传感光纤，经激光曝光处理后的分布式微结构光纤的后向散射光强度提升了5.5 dB，且分布式微结构光纤和单模光纤一样在C 波段内没有波长选择性，具有很好的光谱稳定性.

为了进一步证明光纤中后向散射光信号的时间和空间稳定性，采用相干探测技术分别对相同长度的单模光纤和DMOF 进行了长时间测试.图5(a)和(b)分别展示了其中10 m 单模光纤和10 m DMOF 在100 s 内的光强记录结果.可以清楚看到单模光纤散射光信号的光强分布在空间和时间域上的波动都很大，传感信噪比很低；而DMOF 在微结构点处（5 m 位置）的光强最大，且随时间变化始终保持稳定，具有较高的信噪比.因此，相比于传统的单模光纤，DMOF 不仅可以提升光纤后向散射光的信噪比，还能增强光信号的稳定性.

图4 DMOF 后向散射增强性能测试Figure4 Backscattering enhancement test of DMOF

图5 后向散射稳定性对比Figure5 Comparison of backscattering stability

1.2 微结构光纤全分布式声波传感与链路均衡

DMOF 在轴向上分布着一系列具有固定间隔的微结构散射增强点，这些微结构点将光纤划分为若干个相互独立的光纤区域，如图6所示.当光纤上任意一点受到外界声波信号扰动时，都一定包含于两个相邻微结构点之间的光纤段.因此，可将每两个相邻微结构点和二者中间的传感光纤视作一个传感单元，解调相邻微结构点之间的相位差即对应该段光纤受到的声波作用进而实现全分布式声波传感.

目前标准单模光纤（single mode fiber, SMF）的链路传输损耗约为0.2 dB/km.理论计算结果如图7(a)所示，如果光纤分布式传感链路长度达到100 km，则近端和远端之间传感光信号强度差异将达到40 dB，超出高速光电探测器的动态范围.这种近远端传感信号光强度的差异给光电探测和数据处理带来极大困难，严重制约了大尺度范围分布式光纤传感的应用.如图6所示，本文基于新型微结构光纤提出了一种微结构散射强度全链路均衡方法，构建了微结构散射增强光纤的分布式传感理论模型.按照光探测动态范围将微结构光纤进行区段分割，不同区段的微结构散射增强幅度采用阶梯化设计，远端通过提升散射增强幅度的方法补偿长距离传输链路衰减，可以大幅度降低分布式传感光纤近远端的信号强度差异，实现光纤链路传感信号强度沿光纤分布的均匀性.通过这种方法，100 km 微结构散射增强光纤的远近端信号强度差别可调控至20 dB 以内，如图7(b)所示.

图6 基于DMOF 的全分布声波传感机理Figure6 DMOF based fully distributed acoustic sensing mechanism

图7 100 km 传感光纤的瑞利后向散射脉冲光强分布仿真计算结果Figure7 Simulation results of intensity distribution of Rayleigh backscattering pulse along 100 km sensing fiber

1.3 微结构光时域反射时隙分插复用扩频

基于光纤瑞利后向散射的分布式光纤传感系统主要采用光时域反射（optical time domain reflection, OTDR）技术原理，其频响性能可由传感距离与频响带宽的乘积（即距离-带宽积）来表征，系统频响带宽受限于光脉冲在光纤链路中的全程往返时间，传感距离和响应频带相互制约，即存在距离-带宽积限制.例如20 km 传感监测距离，最高频响带宽只能达到2.5 kHz.因此，在大尺度分布式声波传感中难以实现高频响应，导致声波频谱信息缺失.

为了解决这一问题，采用微结构散射增强光纤，在OTDR 技术的基础上提出了一种基于微结构光时域反射（microstructure optical time domain reflection, M-OTDR）时隙分插复用的扩频方法.由于微结构光纤中各个散射增强点是空间离散分布的，各微结构点的后向散射光脉冲相互独立，因此可在光脉冲全链路往返时间内充分利用相邻信号脉冲之间的时隙资源进行分插复用，提高发射脉冲频率并采用重构算法分离交叠信号，进而提升传感信号的处理效率，最终突破传统分布式光纤传感技术中的距离-带宽积限制.在条件允许的情况下，在相邻散射光脉冲间插入N个脉冲，就可以将距离-带宽积提升N倍.

2 微结构光纤分布式声波传感系统

以微结构光散射取代普通光纤的自然光散射并基于M-OTDR 技术原理构建的MFDAS 系统，由MF-DAS 光电端机和分布式微结构传感光纤两部分构成，如图8所示.

图8 微结构光纤分布式声波传感系统Figure8 Microstructure-fiber distributed acoustic sensing system

MF-DAS 主机包括超窄线宽激光器、光纤耦合器、声光调制器、掺铒光纤放大器（erbiumdoped fiber amplifier, EDFA）、滤波器、光环形器、平衡探测器等，如图9所示.超窄线宽激光器产生的相干激光，通过1:99 的1×2 耦合器分为两路，其中99%的光作为信号光经过声光调制器变成脉冲光，并在调制的过程中产生Δf的频移.脉冲光经过EDFA 进行功率放大，再经过滤波器滤掉EDFA 中产生的自发辐射噪声，然后通过光环形器注入DMOF，光信号在通过各个传感单元时产生携带了声波作用信息的后向散射传感光信号，再通过光环行器回到2×2 光耦合器中，与1%的参考光在耦合器中进行光学相干产生拍频信号，再由平衡探测器将光信号转换为电信号，最后通过采集卡送至上位机进行数据处理.

图9 MF-DAS 系统主机结构示意图Figure9 Configuration of MF-DAS system main machine

2.1 微结构光纤分布式声波传感工作原理

MF-DAS 是一种基于光纤后向散射光时域反射技术实现声波信号连续、分布式探测的新型声波传感器[18].目前高灵敏OF-DAS 系统大多基于φ-OTDR 技术.相位敏感的工作原理如图10所示，DAS 主机发出脉冲光信号传输进入传感光纤，在传感光纤中产生多个后向散射光脉冲信号返回至DAS 主机，在DAS 主机中完成光信号探测和解调.

图10 相位敏感型MF-DAS 的工作原理Figure10 Working principle of the phase-sensitive MF-DAS

以A、B两点间的一段光纤为例，当光纤受到轴向外界声波信号作用时，由于弹光效应光纤会发生微小形变，即这段光纤的长度和折射率会发生改变，进而导致光纤中传输的后向散射光信号的相位发生改变[19]，相位改变量可以表示为

式中，ne为光纤的有效折射率，L为这段光纤的实际长度，Δne、ΔL、Δε分别代表光纤有效折射率、光纤长度、光纤轴向应变的变化量，S为光纤的轴向应变灵敏度（可视为常数）.可见，光纤后向散射光信号的相位变化与光纤轴向应变成正比，因此与声波信号的位移成正比.根据传感光纤上不同位置处后向散射光信号返回到DAS 主机的延迟时间不同，可通过OTDR 技术实现整根光纤上的声场测量.

2.2 分布式相干探测解调及声波信号复原

基于外差相干探测原理，在平衡探测器接收到每个微结构点后向散射光信号与本振光信号之间的拍频信号为

式中，Iri为第i个微结构对应的拍频信号光强度，Ii为第i个微结构对应的后向散射光信号强度，I0为本振光信号强度，Δf为AOM 所引入的频差，φi(t)为第i个微结构点的光相位，φ0为光源初始相位.

图11 正交相位解调算法的流程图Figure11 Flow chart of quadrature phase demodulation algorithm

采用正交相位解调算法提取传感光纤中每个微结构点处的相位信息，其算法流程如图11所示[20].由探测器得到的拍频信号，首先通过带通滤波器滤除其直流信号和其他无关频率相位噪声，然后在进行正交相位解调算法前需要构建一组与拍频信号同频的正交参考信号

将这一对正交参考信号分别与拍频信号相乘

得到的信号被分为高频和低频两部分，高频部分频率被搬移到2Δf处，低频部分为第i个微结构点处相位与参考相位之差，因此可以利用低通滤波器滤除其高频部分得到一组含有第i个微结构点处相位信息的正交项

采用微分交叉相乘（DCM）算法进行下一步处理，得到

最后进行积分计算提取出第i个微结构点处相位信息.同理，采用这种方法可以求解出第i+1 个微结构点处的相位信息，这样就可以得到任意两个相邻微结构点之间的相位变化并恢复出外界声波信号

由此可实现整根光纤的分布式声波探测.

相对于传统的点式传感器阵列来说，分布式微结构散射传感还有着无盲区的优势.由于点式传感器阵列会在传感器之间间隔一定距离再铺设，因此，理论上若信号来源于传感器的间隔区域，存在一定的概率相邻两个传感器均检测不到的情况.而微结构分布式光纤声波传感由于是连续的区间传感，所有传感区间的扰动都将转化为传感信号被测出，从而实现链路全覆盖的无盲区传感.

2.3 MF-DAS 系统技术性能

基于以上研究开发的MF-DAS 系统的主要性能参数如表1所示.测试结果表明，MFDAS 系统具有大范围、宽频带、高空间分辨、超灵敏等优异性能.

表1 MF-DAS 传感系统的主要性能参数Table1 Key performance parameters of MF-DAS system

3 MF-DAS 系统应用研究

3.1 MF-DAS 系统在石油勘探中的应用

石油是工业的血液，石油开采中的勘探过程需要确定地下油层的准确位置.垂直地震剖面法（vertical seism prospect-well, VSP）技术是油气勘探中的常用技术.由声源激发的声信号向地层内部发射并遇到不同地层时，由于地层介质的不同导致声波传播速度不同并产生反射波.通过追踪和分析地震声波在地层中直达波和反射波的特征就可以获得井下油层位置.图12(a)和(b)为勘探井现场和光缆布设，图12(c)和(d)分别为距井口500 m 和3 000 m 处炸药激发获得的声波信号传播图像.从记录得到的VSP 图像清晰可以清楚看到光纤的直达波信号和反射波信及其传递方向，能够为寻找油层位置提供可靠数据资料[21].

图12 基于MF-DAS 的井中VSP 勘探应用现场照片及实验结果Figure12 Field photos and experimental results of VSP exploration in well based on MF-DAS

3.2 MF-DAS 系统在城市交通监测中的应用

如图13(a)所示，将DMOF 传感光缆浅埋于道路附近的地下，利用DMOF-DAS 系统主机分别采集行人及车辆等经过马路时的信号，进行城市交通监测的应用测试.

图13(b)清晰记录了行人沿路向前行走一段距离后穿越到马路另一侧再返回的过程.在和光缆同侧时信号较强，通过声波传播轨迹可以测算行人的行进速度约为7.6 m/s；之后穿越马路到距离光缆较远侧时信号较弱，同时声波传播方向也反向，返回时的行进速度约为4.9 m/s.图13(c)记录的是汽车沿马路启动-加速-匀速行进的过程，汽车在44.79 s 时启动后逐步加速，在59.19 s 加速完毕后车辆保持缓慢匀速驶向远方.因此，加速区间内测量的信号轨迹呈抛物线形（加速度大小约为1 m/s2），此后匀速段的信号轨迹呈直线形（速度约为13.46 m/s）.由此可见，采用地埋DMOF 和MF-DAS 系统可以实现道路上车辆数目以及全程轨迹的实时监测，有望为智慧城市交通监测和路况分析提供数据.

3.3 MF-DAS 系统在入侵探测周界报警中的应用

边境线安全监控对边境维稳非常重要，分布式光纤周界是对视频摄像监控的很好补充，但高误报一直是面临的难题.采用高灵敏、高可靠的MF-DAS 系统能够实现声波振动波形的全信息精准恢复，结合机器学习算法提取特征和模式识别，在现场实验中获得了较高的事件识别准确率.DMOF 埋于铁丝网周界区域的地下，如图14(a)所示.采用MF-DAS 光电主机采集人走路、动物入侵、汽车经过的3 类典型信号各200 组，分别如图14(c)～(e)所示.首先通过经验模态分解提取出其中有效信号分量以达到降噪的效果，再结合机器学习中KNN 分类算法进行入侵模式判别.其模式判别正确率如图14(b)所示，可以看到人走路、马奔跑、汽车行驶3 类事件的识别正确率分别为94%、90%、100%.因此，MF-DAS 系统在周界入侵监测和低误报事件识别上具有优异的应用潜力.

图14 基于MF-DAS 入侵探测周界报警现场照片及实验结果Figure14 On-site photos and experimental results of perimeter intrusion monitoring based on MF-DAS

3.4 MF-DAS 系统在轨道交通安全监测中的应用

轨道交通安全对于保障国家财产安全和乘客生命安全意义重大.本文提出一种创新的轨道交通安全监测技术，采用MF-DAS 系统，利用列车轮子和轨道之间相互作用激励的声波及声波传递规律，同时实现了对列车运行和轨道损伤的在线实时监测.

如图15(a)所示，将DMOF 铺设在测试轨的轨腰上，接入MF-DAS 光电主机.列车在轨道上运行时，以火车经过铁轨作为激励，实时记录沿轨道的声波激发和传递轨迹，探测激励声音的时频特性和传递特性.如图15(b)所示，通过轨迹可以分析得到列车的运行速度为10.2 km/h、列车长度为80.1 m，同时得到了列车停靠的区间位置，这些信息对于列车调度管理和识别列车车厢完整性非常重要.同时，如果列车经过轨道上的损伤处，会在此处激发声源并沿轨道向前向和后向传播，通过追踪和分析轨迹可以准确识别损伤位置.图15(c)显示了损伤识别和定位的统计结果，在实验轨上进行9 处裂缝损伤检测，每处裂缝进行10 次测试，损伤检测准确率达到100%，定位误差最大0.856 m[22-23].由上述结果可以看出，MF-DAS 技术有望在轨道交通安全监测领域发挥重要作用.

图15 基于MF-DAS 的轨道交通安全监测现场照片及实验结果Figure15 On-site photos and experimental results of rail transit safety monitoring based on MF-DAS

4 结 语

本文针对光纤分布式声波探测中单模光纤因后向散射信号极弱所带来的信噪比低、传感距离受限等问题，提出一种新型分布式微结构光纤.通过精密光刻沿光纤轴向连续制备分布式微结构，增强光纤后向散射光信号的强度并抑制链路随机噪声，从而实现传感光信号信噪比的显著提升.利用这种分布式微结构光纤，基于自主原创的M-OTDR 传感技术，采用外差相干探测和正交相位解调方法，研制了微结构光纤分布式声波传感系统.与常规光纤分布式声波传感相比，传感信号的信噪比大幅提升，传感链路近远端传感信号差显著降低，分布式声波探测频响带宽得以增大，能够实现pε级的探测灵敏度.该系统不仅可用于深部地质构造特征探测和地震灾害监测，还可用于高灵敏的内部损伤监测和高复杂环境的外部侵害预警，目前已经在石油勘探、城市交通监测、周界入侵监测和轨道交通安全监测等领域获得初步应用，展现出优异的性能，具有十分广阔的应用前景.