分布式光纖聲波傳感技術

蔡海文

蔡海文,葉青,王照勇,盧斌. 基于相干瑞利散射的分布式光纖聲波傳感技術[J]. 激光與光電子學進展, 2020, 57(5): 050001

感知萬物,是構建智慧地球、智慧城市、智慧海洋的重要技術支撐。

分布式光纖聲波傳感(DAS)技術,是一種可以實現振動和聲場連續分布式探測的新型傳感技術。它利用窄線寬單頻激光在光纖中激發的相干瑞利散射對應變變化高度敏感的特性,結合反射計原理,對與光纖相互作用的環境振動與聲場信息進行長距離、高時空精度的感知。

這種獨一無二的信息感知能力,使得DAS技術受到學術界和工業界的廣泛關注。DAS技術性能不斷提升,應用快速發展,已在周界入侵檢測、鐵路安全在線監測、地球物理勘探等方面展示了其獨特的技術優勢和潛力。

中科院上海光機所蔡海文研究員課題組從技術與應用兩個維度,綜述了DAS近年來的重要進展,分析了其進一步發展需要突破的關鍵問題及未來發展方向。


圖1 分布式光纖聲波傳感技術

從瑞利散射到定量測量的四十年

20世紀70年代,低損耗石英光纖問世,研究人員對光纖的損耗機制產生了濃厚的興趣,在研究中發現,近紅外吸收窗口的光波損耗主要源于瑞利散射。通過對后向瑞利散射的探測可以實現光纖損耗和缺陷的測試,研究人員依此發明了光時域反射計(OTDR),這一技術極大推動了光纖通信事業的發展。

20世紀80年代,人們在OTDR的使用中發現了瑞利散射的干涉效應,探測到的瑞利背向散射光強度會隨時空變化,這嚴重影響了光纖損耗評估的準確性。為解決這一問題,大量研究工作聚集于相干瑞利散射的機理與特性,這加速了相干OTDR的誕生,并將相干OTDR用于測量超長距離光纖通信線路狀態。

20世紀90年代初,H. F. Taylor等人提出利用這一干涉效應進行光纖沿線擾動探測的設想,并開展了驗證性試驗和測試。隨后R. Juskaitis等人發表了第一篇基于相干瑞利散射的分布式光纖振動傳感的學術論文。

21世紀初,隨著窄線寬單頻激光器技術的成熟和商業化,這一技術得以迅速發展,并稱為相位敏感光時域反射計(Φ-OTDR)。

這一階段的Φ-OTDR是通過直接探測方式獲取相干瑞利散射回波的強度,對前后時間內的強度信息進行差分,實現外界擾動動態檢測的。但是,施加在光纖上的物理量變化與散射光強度并不是呈單調變化的,這一信號解調方式只能定性判斷擾動事件的有無,難以直接獲取擾動信號的準確波形。這一定性檢測階段的Φ-OTDR通常被稱為分布式光纖振動傳感(DVS)技術。

2011年,中科院上海光機所在國際上率先提出和開展了基于光纖瑞利散射相位提取的Φ-OTDR技術研究。研究人員利用瑞利散射光相位空間差分與外界振動的線性映射關系,通過數字相干相位解調,首次實現了光纖沿線外界振動信號的分布式定量化測量,這標志著Φ-OTDR步入定量測量階段,即分布式光纖聲波傳感技術(DAS)。

定量化測量有效地解決了DVS探測信號失真問題,通過線性重建擾動信息,極大提升了Φ-OTDR信號識別的準確率與系統的可靠性,推動了Φ-OTDR在多個應用領域的繁榮發展。

隨后,國內外多個研究小組分別提出了各自的相位解調與定量化測量方案,包括南安普頓大學的基于3×3耦合器的相位解調技術,中科院半導體所的相位生成載波技術,俄羅斯科學院的雙脈沖測量方法、電子科技大學的光學正交解調方法等。

定量測量的突破性發展

常規DAS技術在實際應用中在信號衰落、響應帶寬、空間分辨率等方面存在一系列技術瓶頸,國內外專家學者針對這些技術難題開展了一系列研究。

信號衰落

由于DAS光源的高相干特性,后向散射光存在多波束干涉,光波的偏振態和相位差的變化會引起干涉光強的隨機波動,光強極弱的情況稱為信號衰落。

這一現象源于DAS的傳感機理,難以完全根除。當前的研究多以減緩信號衰落,降低其影響為目的。根據信號衰落隨偏振態、頻率、相位、模式等因素的變化,國內外多個研究小組提出了不同的分集接收探測技術,包括偏振分集、頻率分集、相位分集、模式分集、空間分集等,如圖2所示,對多載波信號進行綜合判決或矢量合成,進而抑制信號衰落的影響。


圖2信號衰落抑制代表性方案。(a)相位分集;(b)模式分集

中科院上海光機所研究團隊于2012年和2013年分別提出了基于多頻光源的頻率分集與雙探測脈沖的相位分集方案,并取得了一定的效果。

響應帶寬

以Φ-OTDR為代表的DAS技術,是通過向光纖內發射問詢脈沖來獲取全線路數據的,相鄰問詢脈沖的時間間隔受到光纖長度的限制。光纖長度越長,系統問詢脈沖的間隔越大,光纖各位置的數據采集間隔變大,響應頻率與響應帶寬下降。

為了獲取較為豐富的高頻信息,滿足聲波檢測等應用需求,多采用犧牲傳感范圍的方式來獲取較高的響應帶寬。在電纜局部放電檢測、大型結構健康等領域,對傳感范圍和響應帶寬均提出了較高的要求。

為解決兩性能參數的相互制約難題,2014年,上海光機所團隊率先提出了多色光并行采樣的思想。多色光并行采樣方法通過頻率標記方式解決相鄰脈沖信號混疊與脈沖間隔受限問題,在不犧牲傳感范圍的情況下有效地提升了系統響應帶寬,實現了9.6 km傳感范圍、0.5 MHz響應帶寬的分布式傳感。

日本NTT學者借鑒這一思想,在5 km傳感長度上實現了80 kHz響應帶寬;南京大學利用330 m超弱光柵陣列,結合多色光并行采樣,實現了440 kHz頻率的信號探測。

2015年,重慶大學團隊提出了周期非均勻采樣方式,利用頻率調諧對非均勻脈沖序列進行標記,可以在不加寬探測帶寬的情況下提升頻率響應,先后在3 km光纖長度實現了最大30 kHz頻率響應,在10 km實現了超過50個頻率成分的稀疏寬帶信號探測。


圖3 多色光并行采樣和響應帶寬提升

空間分辨率

空間分辨率決定了系統的定位精度與相位解調精度,通常是由問詢脈沖的寬度決定。壓窄脈寬可以優化空間分辨率,但是會惡化系統信噪比和傳感范圍。在一些特定應用場景中,如列車輪軌在線檢測、大型結構健康檢測等,傳感范圍和空間分辨率都是非常重要的指標。

為了滿足大傳感范圍、高定位精度的應用需求,中科院上海光機所率先引入了光學脈沖壓縮反射計技術與微波雷達的調頻脈沖壓縮概念,將空間分辨率映射至光波頻域,實現了75 km傳感范圍下的亞米級空間分辨率。

此外,上海交通大學提出了融合光頻域反射(OFDR)與脈沖斬波技術的時間門控OFDR(TGD-OFDR)技術,通過對光波頻率的調諧控制,分別實現衰落抑制、帶寬提升、空間分辨率優化等目的。電子科技大學先后采用拉曼放大、布里淵放大、混合分布式放大等技術,對系統的傳感范圍進行提升,實現了最高175 km范圍的分布式監測。

廣闊應用需求與技術日趨完善的相互推動

DAS因其獨特的優勢,吸引著越來越多領域的專家前來尋找行業突破,同時對DAS技術完善提出了越來越高的要求。

歷經十余年的發展,DAS已經在多個領域發揮著不可替代的作用,尤其是長距離、大范圍、時空密集檢測的應用場景,包括周界安防、交通運輸、地球物理勘探、結構健康監測等領域。研究人員也針對各個領域的個性化應用需求,對DAS技術進行不斷完善。


圖4 廣闊的應用市場

周界安防領域,相較于常規手段,DAS具有環境適應性強、隱蔽性高、監測范圍大、分布式無盲區等優點。但是,如何根據DAS探測到的大量復雜信號判斷光纖沿線發生了什么擾動、什么性質的入侵,是一項技術難題。

鐵路運輸領域,DAS技術將無源光纖作為傳感與傳輸器件,可以實現光纖沿線擾動信號的空間連續感知。它具有抗電磁干擾、可長距離分布式測量、單位距離成本低、無需現場供電等特點,能夠很好地彌補現有點式電磁學傳感技術的缺點,符合鐵路運輸領域的應用需求,可以較為快速地融入到現有鐵路線路中,并已經得到重要應用。


圖5 基于DAS的鐵路沿線安全檢測

油氣資源勘探也是DAS技術的一項重要應用。常規油氣資源勘探技術采用點式電子檢波器,具有部署效率低、大規模實驗耗時長等弊端。DAS利用常規的通信光纖作為傳感器件,成本低廉,而且可以在鉆井、完井、生產等全生命周期發揮作用,優勢顯著。

此外,由于光纖具有尺寸小、質量輕等特點,易于嵌入到航空航天復合材料、建筑材料、土壤介質等結構中,利用DAS可以方便地獲取材料內部的聲發射信號,實現材料與結構的永久性在線監測。

未來發展趨勢和挑戰

DAS技術已經不斷趨于成熟,應用市場不斷擴大,前景一派欣欣向榮。最近,國外學者提出采用既有的地下通信光纖,構建地球地質分析與重大自然災害(地震)探測的大規模監測網絡。這一發展方向可以挖掘DAS的大范圍空間連續感知優勢,重新激活全球地下所有冗余的通信光纖資源,具有非常高的市場價值和發展潛力。

雖然DAS技術已經得到了長足發展,但是尚未完全成熟,依然存在重要的技術瓶頸需要攻關,主要包括靈敏度提升、多維探測和新的數據處理范式等幾個方面。

DAS技術的靈敏度,相對于分布式傳感技術而言,是比較高的。但是,與常規點式傳感技術相比,還具有很大的差距。若要大規模應用DAS技術,需要對這一技術的靈敏度進行大幅度提升,使其接近現有點式傳感器件的水平,才能真正替代各應用領域的現有技術手段。

同時,現有DAS探測能力依然受限于光纖軸向一維結構,尚且難以實現擾動源的三維定位與信號的多分量探測,在一定程度上限制了DAS的技術性能和應用范圍。


圖6 分布式二維/三維定位探測與無人機反制

此外,DAS的長距離、空間密集采樣和時域密集采樣特征產生巨量的傳感數據,如何將巨量的原始數據實時轉化為有用的傳感信號需要發展新的數據處理方法和算法。

總而言之,DAS技術為物理世界的感知提供了變革性技術手段,對推動科學研究和人類社會的智能發展具有重要意義。

課題組介紹

中國科學院上海光學精密機械研究所蔡海文研究員科研團隊近二十年來,以光電子器件和光纖信息技術為基礎,聚焦信息的精準感知與傳遞及前沿應用,以激光產生、傳輸、探測過程的光波特性精密測量與調控為特色,以更精、更準和更廣泛應用為目標,從器件、系統和應用多層面研究開發精準信息感知與傳遞的新理論和核心技術,致力于為國防、工業和科學研究提供高端精密光子器件、極致光纖傳感和超高精度時空基準分發等精密光子技術供給。

主持承擔的科研項目有國家自然科學基金(重點、面上)項目、軍科委前沿創新項目、航天型號項目、國家863重點項目、中科院重點部署項目、上海市科委重大科技攻關項目等多項國家級和省部級項目。科研團隊先后榮獲2016年度上海市技術發明獎一等獎、2017年度中國專利優秀獎等榮譽和獎項,成果入選“偉大的變革”改革開放四十周年展。

課題組合影: