近日，由中國光學工程學會聯(lián)合光電子產(chǎn)業(yè)博覽會共同打造的光電領域系列公開課「云光課堂」重磅上線「科普之光」，該欄目首迎南方科技大學邵理陽教授直播分享《AI驅(qū)動的DAS技術(shù)真的能聽風、聽地、聽海嗎？》，該報告主要介紹了基于AI驅(qū)動的DAS技術(shù)原理，在聽風/聽地/聽海等領域的實際應用案例，并就團隊在分布式光纖振動傳感領域取得的新成果、實現(xiàn)的新突破，進行了系列深度分享。DAS以其長距離、高空間分辨率、連續(xù)測量無盲區(qū)的獨特優(yōu)勢，在地震預報檢測、水聲傳感、周界安防預警等領域取得了突破性實際技術(shù)應用一攬子解決方案，對相關(guān)行業(yè)的發(fā)展提供了新技術(shù)應用的新高地新示范。

團隊與南京大學合作共同對該技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展概括性綜述，以Advances in phase-sensitive optical time-domain reflectometry為題目發(fā)表在Opto-Electronic Advances期刊，該篇報道被編輯選為2022年第5卷第3期的封底文章（Back Cover Paper），被20多家國內(nèi)外媒體轉(zhuǎn)載報道，包括Physics.org，NyPost，MyDroll，AlphaGalileo，EurekAlert!，Pubcard，OEA，Hotpaper，CHNSci等國際知名網(wǎng)站，以及光電科技情報網(wǎng)，光纖傳感focus，光電匯，纖維說，光電期刊，光電讀書，南創(chuàng)中心，國際聲學技術(shù)產(chǎn)業(yè)研究院等國內(nèi)知名公眾號，受到了海內(nèi)外學術(shù)界技術(shù)界高度關(guān)注！

團隊與澳門大學合作，提出基于瑞利散射自相干信號的直接探測與接收方案，實現(xiàn)分布式振動波形定量傳感解調(diào)，成果以Quantitative demodulation of distributed low-frequency vibration based on phase-shifted dual-pulse phase-sensitive OTDR with direct detection為題目，發(fā)表在Optics Express期刊。

邵理陽研究員帶領團隊，與江蘇省有關(guān)部門合作，編寫了江蘇省地方標準《水下隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》（DB32/T 4243-2022）已經(jīng)正式發(fā)布。該規(guī)程系統(tǒng)總結(jié)了江蘇省水下隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的實踐應用經(jīng)驗，形成了適用于江蘇省特殊環(huán)境的水下隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測相關(guān)技術(shù)要求，為在全國全行業(yè)水下隧道工程中進一步推廣結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)，奠定了技術(shù)性先行示范應用基礎。

01 引言

自2005年首個基于相位敏感光時域反射技術(shù)（Ф-OTDR）的光纖分布式振動傳感（DVS）系統(tǒng)問世以來，Ф-OTDR得到了快速的發(fā)展和廣泛的應用，并進一步產(chǎn)生了具有定量分析聲波振幅能力的分布式聲波傳感（DAS）技術(shù)。在此基礎上，技術(shù)研究者們對提升Ф-OTDR系統(tǒng)傳感性能的技術(shù)進行了大量的研究，包括傳感距離、空間分辨率、頻率響應范圍、事件識別準確率等關(guān)鍵技術(shù)指標。基于其優(yōu)越的長距離、高分辨率分布式振動/聲波傳感能力，Ф-OTDR技術(shù)近年來得到了廣泛的工程應用。在地震監(jiān)測、油氣資源勘探、管道泄漏檢測、周界入侵報警、電纜局部放電報警等領域，均有較成功的應用示范。

Φ-OTDR系統(tǒng)中，通過解調(diào)背向瑞利散射信號的相位信息，可以實現(xiàn)對振動事件波形的定量還原。目前主要的相位解調(diào)方法，包括引入本振光的外差/零差相干檢測方法，以及不需要本振光的背向瑞利散射自相干檢測方法。其中，前者由于本地振蕩光的存在，信號強度大，且解調(diào)算法簡單，但本振光和傳感光纖遠端返回的散射信號之間存在較大的時延，導致較嚴重的激光源相位噪聲干擾，影響Φ-OTDR對低頻振動的傳感性能。而對于后者，主要實現(xiàn)方案有基于雙脈沖探測的Φ-OTDR系統(tǒng)，以及在接收端結(jié)合非平衡干涉儀的瑞利散射自相干檢測方案。在這兩種方案中，干涉光之間的光程差是固定的（由雙脈沖之間時間間隔，或非平衡干涉儀兩臂之光程差決定），且遠小于基于本振光的相干檢測系統(tǒng)，因此可以將激光源噪聲的影響大幅降低。但目前報道中，瑞利散射自相干信號的相位解調(diào)方法相對比較復雜，如phase-generated carrier, differential and cross multiply等方案。

未來，在攻克新型傳感光纜、創(chuàng)新傳感機制、高效數(shù)據(jù)解調(diào)算法、精準振動事件識別等關(guān)鍵技術(shù)的基礎上，基于Ф-OTDR的光纖分布式聲波傳感技術(shù)將進一步發(fā)揮其應用潛力，有望在形狀傳感、地質(zhì)勘探等領域取得新突破。

02 Ф-OTDR的原理及方案

i.Ф-OTDR的原理及方案

綜述分析了基于瑞利背向散射光強度解調(diào)的DVS-Ф-OTDR，及基于相位解調(diào)的DAS-Ф-OTDR系統(tǒng)傳感原理。

重點對比討論了外差探測IQ解調(diào)、外差探測希特波特變換方案、基于3x3耦合器的直接探測方法以及基于相位生成載波技術(shù)的直接探測方法等DAS相位解調(diào)技術(shù)。

圖1.采用不同解調(diào)方法的 DAS-Φ-OTDR 系統(tǒng)設置 ｜?圖源：Opto-Electronic Advances (2022)(Fig. 2)?

ii.Ф-OTDR系統(tǒng)的關(guān)鍵傳感參數(shù)

Ф-OTDR可以實現(xiàn)振動、動應變等的分布式測量，通常可以通過幾個技術(shù)參數(shù)來評價，主要包括傳感距離、信噪比、頻率響應范圍、空間分辨率和事件分辨能力。綜述詳細總結(jié)分析了近年來提升不同參數(shù)研究的最新進展。

信噪比是決定OTDR性能的關(guān)鍵參數(shù)。它不僅決定了傳感器的傳感距離，還決定了傳感器的靈敏度和精度。一方面可以放大探頭的光功率和補償傳輸損耗，通過增大信號強度來提高信噪比。另一方面，也可以通過抑制噪聲來提高信噪比。

Φ-OTDR系統(tǒng)的空間分辨率是指能夠區(qū)分的不同事件之間的最短距離。它反映了遙感系統(tǒng)的空間識別和定位能力。空間分辨率與探頭脈寬、光電探測器的采樣率、采集卡等有關(guān)。

為了解決傳統(tǒng)的Φ-OTDR系統(tǒng)可以定位外部干擾，但無法區(qū)分不同類型的入侵事件的問題，近年來Φ-OTDR信號后處理的模式識別算法得到了廣泛的研究。模式識別算法可以根據(jù)振動信號的信號特征，將檢測到的振動信號自動分類為感興趣的入侵和不希望的環(huán)境噪聲，從而大大提高了系統(tǒng)的報警準確率，降低了系統(tǒng)的誤報率。

iii.基于聲光調(diào)制的相移脈沖產(chǎn)生

之前已報道的基于相位分集的Φ-OTDR系統(tǒng)中，探測脈沖的相位調(diào)制主要是通過在發(fā)射端增加一個額外的相位調(diào)制器來實現(xiàn)的，增加了系統(tǒng)的復雜度和成本。本工作提出了使用聲光調(diào)制器（AOM）同時進行探測脈沖的強度調(diào)制和相移調(diào)制的方法，不再需要引入額外的硬件。

圖2-5(a)說明了AOM的基本工作原理。通過改變驅(qū)動AOM的射頻信號的幅度，可以調(diào)制入射激光的光強；通過調(diào)制射頻信號的初始相位，可以實現(xiàn)對入射激光的移相?；谶@樣的方法，可以使用單個AOM同時實現(xiàn)探測脈沖的產(chǎn)生和相移。使用圖1(b)所示的干涉結(jié)構(gòu)驗證上述思路。將如圖1（c）所示的兩組射頻雙脈沖信號加載到AOM上，這兩組雙脈沖的初始相位分別為（0,0）和（0,π）；對應的兩組激光脈沖拍頻信號如圖1（d）所示，這兩組激光雙脈沖的初始相位之差同樣分別是0和π，證明了此方法的有效性。

圖2-5: (a)聲光調(diào)制器工作原理。(b)驗證方法可行性的光路。(c)兩組射頻雙脈沖信號波形。(d)相應的兩組激光雙脈沖拍頻信號波形 ｜ 圖源：Optics Express (2022)(Fig. 3)

iv.基于相移雙脈沖的Φ-OTDR相位解調(diào)原理

基于上述相移雙脈沖產(chǎn)生方法，相應的瑞利散射自相干檢測信號應表示為：

其中??對應第??次發(fā)射的探測雙脈沖；???為單次測量中，前后兩個脈沖產(chǎn)生的瑞利散射信號之間因干涉而產(chǎn)生的差分相位，攜帶著傳感光纖沿可能存在的振動信息；??為初始相位??；??是基于AOM調(diào)制引入的雙脈沖之間相移，且滿足??。因此，相鄰兩次測量信號之間存在??的相移量。受相移干涉成像技術(shù)啟發(fā)，本工作中相位解調(diào)公式表示為：

該解調(diào)方法計算過程簡單，且對系統(tǒng)隨機噪聲起到抑制作用，但對系統(tǒng)的動態(tài)響應范圍存在負面影響，詳見論文Discussion部分的討論。

實驗中，采用了5.1km傳感光纖及16kHz脈沖重復頻率，脈沖寬度100納秒，雙脈沖的時間間隔100納秒。使用10MHz帶寬的PD進行檢測，并以100MHz的采樣速率完成數(shù)據(jù)采集。在光纖約5km處，將一段長度為1米的光纖纏繞在壓電陶瓷管上，用于模擬外界振動事件。首先加載了頻率為20Hz的正弦振動信號，相應的差分相位空域-頻域解調(diào)結(jié)果如圖2-6（b）所示，沿傳感光纖的差分相位頻譜20Hz分量幅值計算結(jié)果如圖2-6（c）所示，顯示了系統(tǒng)的振動定位空間分辨率約為10米，與系統(tǒng)的100納秒雙脈沖間隔相呼應。

圖2-6: (a)差分相位解調(diào)結(jié)果的空域-頻域圖。(b)差分相位信號頻譜的20Hz頻率分量沿光纖幅值分布情況 ｜ 圖源：Optics Express (2022)?(Fig. 5)

圖2-7展示了擾動頻率分別為0.5Hz,1Hz，5Hz和20Hz時的差分相位解調(diào)結(jié)果及功率譜密度情況，證明了該方法可以較好地定量還原光纖沿線的擾動波形。

圖2-7: 頻率分別為(a) 0.5 Hz， (b) 1 Hz， (c) 5 Hz和(d) 20 Hz的外部振動的差分相位解調(diào)結(jié)果。(e)-(h)解調(diào)后的微分相位波形對應的功率譜密度(PSD) ｜ 圖源：Optics Express (2022)?(Fig. 6)?

圖2-8是PZT驅(qū)動電壓與所解調(diào)的差分相位幅值之間的線性擬合結(jié)果。四組實驗的PZT驅(qū)動信號頻率分別為0.5Hz（紅）,1Hz（藍），5Hz（橙）和20Hz（綠），且電壓峰峰值由1伏增加至10伏。四組實驗的線性擬合結(jié)果R2值為0.9966、0.9987、0.9997和0.9995，且斜率基本保持一致（約為3 rad/V），證明了所提出方法對外界振動的定量解調(diào)結(jié)果具有較好的線性響應和可重復性。

圖2-8 PZT驅(qū)動電壓與差分相位幅值之間的線性擬合結(jié)果 ｜ 圖源：Optics Express (2022)(Fig. 7)

03 應用與展望

未來研究可以聚焦改進Φ-OTDR的操作原理、改進數(shù)據(jù)解釋方法和擴展其應用領域。在工作原理上，開發(fā)uwFBG陣列、少模光纖、散射增強光纖或多芯光纖等特殊光纖，可能會進一步提升Φ-OTDR的性能。在數(shù)據(jù)解釋方法方面可以參考人工智能和計算機科學中先進的信號處理方法。在實際工程應用中，有必要驗證與實驗條件有很大差異的解釋方法。

通過適當?shù)墓鈱W配置，Φ-OTDR能夠在高空間分辨率(~m)下長距離(~km)測量振動、應變或溫度分布。這種能力使得Φ-OTDR在不同的場景下有著廣泛的應用。該綜述回顧總結(jié)了Φ-OTDR在不同應用領域的最新進展，包括地質(zhì)勘探、周界監(jiān)測、交通傳感器、部分流量監(jiān)測和其他新穎的應用。一些案例將傳統(tǒng)Φ-OTDR應用于新的應用場景，如檢測害蟲感染，而其他案例則引入特殊纖維或先進的后處理算法，將目標物理參數(shù)的測量轉(zhuǎn)化為振動檢測，沿傳感光纖的應變或溫度變化，如氣體濃度水平和光纖彎曲方向。

這些領域的拓展應用程序已經(jīng)證明，Φ-OTDR系統(tǒng)是一個具有廣泛應用前景的工具，對于各種行業(yè)性系統(tǒng)性全局性的應用場景蘊藏著巨大潛力。

目前，邵理陽團隊在發(fā)起搭建「天地海一體化智能網(wǎng)聯(lián)創(chuàng)新研究平臺」，涵蓋通信、災害預警、物探、環(huán)保、能源和軍事等多個領域，初步獲得南方科技大學、北京大學、深圳先進技術(shù)研究院、香港理工大學、香港浸會大學、澳門科技大學、澳門大學、汕頭大學、中山大學、北京師范大學珠海分校、北師大浸會、鵬城實驗室、南方海洋實驗室等單位的多位院士和領導認可，已經(jīng)取得了上光所、安光所、成光所、長光所、中科院光機所以及中廣核、中能建、華潤集團、東方紅衛(wèi)星以及云洲智能大力支持協(xié)助，基于新一代AI驅(qū)動DAS新技術(shù)的空天地一體化智能化實景化聽風、聽地、聽海的蒼穹型全覆蓋感知系統(tǒng)已經(jīng)來臨！

個人簡介

邵理陽，博士，南方科技大學創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學院副院長，電子與電氣工程系研究員，博士生導師。IEEE/OSA資深會員，SPIE終身會員，中國光學學會高級會員、光學測試專委會/纖維與集成光學專委會委員，國家科技部重大儀器專項、國家自然科學基金委員會、廣東省科技廳、深圳市科技創(chuàng)新委員會等機構(gòu)的評審專家。獲2012澳大利亞教育部「奮進學者獎」，2014「四川省高層次引進人才」，2015「國家特聘青年專家」，2016「詹天佑鐵道科技獎青年獎」，2017四川省「突出貢獻專家」， 2019「深圳市高層次引進人才」，2020「中國產(chǎn)學研促進獎」。入選美國斯坦福大學發(fā)布「全球前2%頂尖科學家」榜單，包括2019 及 2020「終身科學影響力排行榜」和「年度科學影響力排行榜」。

主要研究方向有分布式光纖傳感技術(shù)及工程應用，光纖激光器及其傳感應用，微納光學及其醫(yī)學應用，智慧海洋綜合感知及系統(tǒng)裝備等。目前已在國際主要期刊及會議上發(fā)表學術(shù)論文共200余篇，其中SCI 論文142篇（第一作者及通訊作者論文71篇），包括Nat.Comm.Light Sci. Appl.Laser Photon. Rev.Adv. Electron. Mater.NanoscaleBiosen. and Bioelectron等8篇，總引/他引達5098/3500， H因子 39；應邀撰寫綜述文章4篇，在IEEE ICCT, CLEO-PR, APOS等重要國際會議做主旨報告2次，特邀報告近20次，擔任國際會議TPC Chair/組委會成員20 余次; 授權(quán)發(fā)明專利10余項。

編輯：黃飛

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