分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)研究的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)綜述1993年，德克薩斯Ａ＆Ｍ大學(xué)Taylor等人在使用超窄線寬激光器研究光時(shí)域反射計(jì)的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)可以用瑞利后向射散光進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)，由此引入了Φ-OTDR系統(tǒng)，而該系統(tǒng)為傳統(tǒng)OTDR結(jié)構(gòu)的拓展形式，它使用了超窄線寬激光器作為光源，之后在進(jìn)行傳感測(cè)量時(shí)應(yīng)用了RBS之間的相干衰落效應(yīng)，也可以說(shuō)在光纖感知到入侵事件時(shí)，光纖的物理結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，而這會(huì)導(dǎo)致光纖的折射率和整體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度發(fā)生一定程度的變化，而對(duì)應(yīng)也會(huì)改變?cè)摴?jié)點(diǎn)RBS的幅度和相位，通過(guò)對(duì)擾動(dòng)事件前后的瑞利散射曲線進(jìn)行分析，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)擾動(dòng)事件的探測(cè)。根據(jù)我們所得之的信息，與其他散射原理的光纖震動(dòng)傳感器相對(duì)比得出其有以下優(yōu)勢(shì)：①探測(cè)靈敏度極高，適用于微弱擾動(dòng)事件的檢測(cè)；②響應(yīng)速度快，適用于動(dòng)態(tài)擾動(dòng)事件的檢測(cè)。主要基于以上兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，Φ-OTDR在檢測(cè)大型設(shè)備或環(huán)境時(shí)被人們寄予厚望。最近幾年Φ-OTDR的主要研究熱點(diǎn)主要集中在以下幾個(gè)方面：1）提高系統(tǒng)的頻率響應(yīng)范圍Φ-OTDR系統(tǒng)的頻率響應(yīng)范圍是根據(jù)檢測(cè)脈沖的傳感距離以及其重復(fù)周期所確定的。而探測(cè)脈沖的重復(fù)周期不能小于其在光纖中進(jìn)行一輪循環(huán)所消耗的時(shí)間，在不采取任何復(fù)用技術(shù)的前提下，Φ-OTDR系統(tǒng)對(duì)1km的普通單模光纖最高可探測(cè)的頻率為50kHz，研究人員為了能使Φ-OTDR系統(tǒng)獲得更優(yōu)異的性能，通過(guò)將Φ-OTDR系統(tǒng)與其他類(lèi)型的光纖傳感機(jī)理以及時(shí)/頻分復(fù)用技術(shù)相結(jié)合，從而提高了傳感系統(tǒng)的頻率響應(yīng)范圍。2010渥太華大學(xué)鮑曉毅課題組使用了不同頻的雙脈沖作為探測(cè)脈沖，經(jīng)由頻分復(fù)用的Φ-OTDR傳感系統(tǒng)，最后使用移動(dòng)加權(quán)平均法進(jìn)行信號(hào)處理，使最后的系統(tǒng)可以在1100m長(zhǎng)度的光纖上實(shí)現(xiàn)十米的空間分辨率以及8000赫茲的頻率響應(yīng)。而他們還在同年又進(jìn)行了深入探索研究，最后又創(chuàng)造了一種使用時(shí)分復(fù)用技術(shù)的Φ-OTDR，可以使系統(tǒng)達(dá)到，在680m長(zhǎng)的傳感范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)1m的空間分辨率和0.6MHz的頻率響應(yīng)。2016上海光機(jī)所潘政清課題組提出基于頻分復(fù)用技術(shù)的多脈沖Φ-OTDR系統(tǒng)，在10km傳感長(zhǎng)度上，可探測(cè)的最高頻率為20kHz。此外，研究者們提出將Φ-OTDR和馬赫曾德干涉儀（MZI）相結(jié)合，利用兩者的優(yōu)點(diǎn)，這個(gè)結(jié)合之后的系統(tǒng)既可以獲取擾動(dòng)事件的位置信息，又可以得到擾動(dòng)事件的頻域信息。2013年鮑曉毅課題組設(shè)計(jì)了一種傳感結(jié)構(gòu)，他們將Φ-OTDR和MZI融合，最后實(shí)現(xiàn)了1064米的范圍內(nèi)，有著五米的空間分辨率以及3兆赫茲的最大檢測(cè)頻率。之后，他們結(jié)合相干檢測(cè)技術(shù)，在使用了寬窄脈沖對(duì)的融合結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，使得整體結(jié)構(gòu)可以在1100m長(zhǎng)度的光纖上實(shí)現(xiàn)十米的空間分辨率以及8000赫茲的頻率響應(yīng)。2017南京大學(xué)潘政清課題組又設(shè)計(jì)了一種MZI和Φ-OTDR融合的傳感結(jié)構(gòu)，但他們使用的是單端MZI進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而最后他們可以探測(cè)接收到1.2MHz的最高頻率響應(yīng)。表12針對(duì)提升頻率響應(yīng)目前的主要研究成果成員年份主要內(nèi)容主要成果鮑曉毅2010頻分復(fù)用Φ-OTDR傳感系統(tǒng)1.1km長(zhǎng)的傳感光纖上實(shí)現(xiàn)10m的空間分辨率和8kHz的頻率響應(yīng)2013相干檢測(cè)技術(shù)在1.1km的傳感光纖上實(shí)現(xiàn)5m空間分辨率和6.3MHz的最高頻率響應(yīng)潘政清2016頻分復(fù)用技術(shù)的多脈沖Φ-OTDR系統(tǒng)在10km傳感長(zhǎng)度上可探測(cè)的最高頻率為20kHz。2017單端MZI和Φ-OTDR結(jié)合探測(cè)的最高頻率響應(yīng)為1.2MHz2）相位信息的解調(diào)技術(shù)通常情況下散射光的強(qiáng)度信息可以經(jīng)由Φ-OTDR系統(tǒng)快速響應(yīng)及定位動(dòng)態(tài)擾動(dòng)事件，但接收到的散射信號(hào)強(qiáng)度與光纖上受到的動(dòng)態(tài)應(yīng)變可能會(huì)由于脈沖內(nèi)散射點(diǎn)的隨機(jī)分布導(dǎo)致不能存在確定關(guān)系，從而導(dǎo)致光纖中的動(dòng)態(tài)應(yīng)變值無(wú)法通過(guò)針對(duì)散射信號(hào)的幅度解調(diào)計(jì)算得出解析解，而動(dòng)態(tài)應(yīng)變與光纖折射率存在線性關(guān)系，而相位也與折射率存在線性相關(guān)關(guān)系，所以對(duì)整體擾亂的定量評(píng)估可以通過(guò)檢測(cè)光相位的變化得出。J.P.Dakin和C.Lamb使用了存在一定頻率差的雙脈沖作為Φ-OTDR系統(tǒng)的探測(cè)脈沖，但二者差頻的相位變化與光纖某處所受應(yīng)變線性相關(guān)，最后可以通過(guò)對(duì)相位的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)。2014年，A.E.Alekseev等人使用了相對(duì)相位值不同的三組雙脈沖對(duì)序列作為探測(cè)脈沖，主要方法依然是主要通過(guò)相位進(jìn)行計(jì)算，而在2km的傳感光纖上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試可以使能夠探測(cè)到周期性擾動(dòng)頻率為230Hz，空間分辨率能夠達(dá)到5m，相位性敏感度能夠達(dá)到0.01rad。在2017年，北京大學(xué)張敏也使用了雙脈沖Φ-OTDR系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，他在該原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行了細(xì)節(jié)的改進(jìn)，致使在500m傳感光纖上能夠達(dá)到20Hz到25kHz的振動(dòng)信號(hào)定量測(cè)量。2018年，南京大學(xué)王峰等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)將同頻雙脈沖與外差探測(cè)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，并且在系統(tǒng)中加入了極弱反射率光纖布拉格光柵陣列，通過(guò)該結(jié)構(gòu)可以更加清晰地獲取信號(hào)的相位信息2000年，R.Posey等人為獲得由傳感光纖上任意兩個(gè)獨(dú)立光纖段而產(chǎn)生瑞利散射光的相對(duì)相位，他們構(gòu)建了非平衡MZI結(jié)構(gòu)，而通過(guò)3×3耦合器可以接收三路具有穩(wěn)定相移的信號(hào)，而該信號(hào)之后會(huì)經(jīng)歷一個(gè)非平衡MZI結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)經(jīng)受過(guò)由探測(cè)脈沖產(chǎn)生的RBS注入，而為獲得光纖任意區(qū)域的相位變化則可以通過(guò)相位解調(diào)算法進(jìn)行解調(diào)處理，他們最終在400m的傳感光纖上實(shí)現(xiàn)了2kHz的動(dòng)態(tài)應(yīng)變的定量測(cè)量。而之后A.Masoudi等人在R.Posey等人的基礎(chǔ)上進(jìn)行了探索改進(jìn)，他們是使用1km的傳感光纖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，他們最后實(shí)現(xiàn)了2m的空間分辨率，應(yīng)變和振動(dòng)頻率的探測(cè)范圍分別為2和5kHz。之后山東科學(xué)院激光研究所王成課題組又對(duì)3×3耦合器進(jìn)行了深入研究，他們?yōu)槭褂忙?OTDR系統(tǒng)進(jìn)行水下振動(dòng)測(cè)量提供了一種新的相位解調(diào)思路。圖173X32011年蔡海文等為實(shí)現(xiàn)應(yīng)變的變量測(cè)量，他們?cè)跀?shù)字域上對(duì)相干信號(hào)進(jìn)行傅里葉積分去對(duì)相位變化進(jìn)行解調(diào)，之后他們還使用了幾種相位解調(diào)方法，比如相位載波生成原理，IQ解調(diào)和Hilbert變化，在得到一組相對(duì)應(yīng)的相位信息后，使得最終可以處理應(yīng)變測(cè)量問(wèn)題。2015年，山東科學(xué)院激光研究所王成組在Φ-OTDR系統(tǒng)的基礎(chǔ)上又加入了UWFBG，而這種方法使用的是干涉結(jié)構(gòu)，可以使功率較弱的散射光信號(hào)被更穩(wěn)定更可控的反射光替代，而整個(gè)系統(tǒng)可測(cè)量的最小應(yīng)變測(cè)量值和信噪比都得到了大大的改善，最終可以達(dá)到450Hz到600Hz的探測(cè)頻率范圍。而南京大學(xué)張旭蘋(píng)課題組在其基礎(chǔ)上添加了激光器主動(dòng)掃頻的相位解調(diào)步驟，他們的實(shí)驗(yàn)是在5km長(zhǎng)的傳感光纖進(jìn)行的，而且通過(guò)了nε等級(jí)的應(yīng)變檢測(cè)。表13針對(duì)解調(diào)技術(shù)目前的主要研究成果成員年份主要內(nèi)容主要成果R.Posey2000非平衡MZI結(jié)構(gòu)在400m的傳感光纖上實(shí)現(xiàn)2kHz的動(dòng)態(tài)應(yīng)變的定量測(cè)量蔡海文2011數(shù)字域傅里葉積分實(shí)現(xiàn)應(yīng)變的定量測(cè)量A.E.Alekseev2014連續(xù)的雙脈沖對(duì)序列作為探測(cè)脈沖在2km的傳感光纖上的空間分辨率可達(dá)到5m，探測(cè)的周期性擾動(dòng)事件頻率為230Hz，且相位敏感度為0.01rad王成組2015UWFBG引入到Φ-OTDR系統(tǒng)可探測(cè)的頻率范圍為450Hz到600Hz張旭蘋(píng)2015提出將UWFBG和Φ-OTDR系統(tǒng)相融合在5km長(zhǎng)的傳感光纖上實(shí)現(xiàn)nε等級(jí)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變檢測(cè)張敏2017雙脈沖Φ-OTDR系統(tǒng)500m傳感光纖上實(shí)現(xiàn)20Hz到25kHz的振動(dòng)信號(hào)定量測(cè)量王峰2018同頻雙脈沖與外差探測(cè)結(jié)構(gòu)結(jié)合能夠獲取振動(dòng)信號(hào)的相位信息當(dāng)前，能夠影響Φ-OTDR系統(tǒng)的因素主要有下面幾點(diǎn)：(1)傳感光纖中的光相位的隨機(jī)變化；(2)傳感光纖中光的偏振態(tài)隨之隨機(jī)變化；(3)光源的功率穩(wěn)定性問(wèn)題；(4)光源的頻率漂移問(wèn)題；(5)光源的單色性問(wèn)題。因而如何消除或減小上述因素對(duì)Φ-OTDR系統(tǒng)的影響，一直是目前研究的重點(diǎn)。參考文獻(xiàn)[1]高橋清，莊慶德.展望21世紀(jì)新技術(shù)革命中的傳感器[J].傳感器技術(shù)，2001,20(1):1-3[2]呂月蘭，行永偉.相位光時(shí)域反射計(jì)瑞利散射波形特性研究[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2011.08,31(8):0819001-1-5[3]陳學(xué)義，董鳳忠，張曉磊，等.基于相干后向瑞利散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)[J].光電子·激光，2013.09,Vo1.24,No.9:1779-1783[4]周正仙,段紹輝，田杰,等,分布式光纖振動(dòng)傳感器及振動(dòng)信號(hào)模式識(shí)別技術(shù)研究[J],光學(xué)儀器,2013,35(06):11-15.[5]耿軍平，蔣佩漩，韋高，等.基于布里淵散射的分布式光纖傳感器的進(jìn)展陰.測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)2002,16(2):87-91[6]劉建霞.Φ－OTDR分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究進(jìn)展[C]∥全國(guó)激光技術(shù)與光電子學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議．2013(8):193-198.[7]馬福,王夏霄,魏旭毫,等.基于Φ－OTDR的分布式光纖擾動(dòng)傳感系統(tǒng)研究現(xiàn)狀[J].半導(dǎo)體光電,2018,39(1):1-5.[8]f91余麗蘋(píng)，劉永智，代志勇.布里淵散射分布式光纖傳感器[J].光電子器件與技術(shù)，2006，43(4):24-28[9]YuelanLu.Pencil-lead-breaktransientdetectingbyphase-opticaltimedomainreflectometerbasedoncoherent[R].OptoelectronicsandMicroelectronics(ICOM),2013InternationalConferenceon:224-226[10]謝孔利，饒?jiān)平皆?基于大功率超窄線寬單模光纖激光器的Φ－光時(shí)域反射計(jì)光纖分布式傳感系統(tǒng)fRl.光學(xué)學(xué)報(bào)，2008,28(3):569-572.[11]LJiang,X.Liu,R.Yang.ApplicationoftheHHTmethodtotheairportfiberfencewaming,Electronics,CommunicationsandControl(ICECC),2011InternationalConferenceonNingbo,2011:1337-1340.[12]L.Wu.Studyonthefiber-opticperimetersensorsignalprocessorbasedonneuralnetworkclassifier,ElectronicMeasurement