分布式光纖傳感系統(tǒng)的發(fā)展研究國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)綜述自20世紀(jì)90年代初，一套基礎(chǔ)的采用超窄線寬激光器作為光源，基于后項(xiàng)瑞利散射光而制作出的光時(shí)域反射計(jì)問(wèn)世以來(lái)，近30年以來(lái)，科學(xué)家及學(xué)者們從未停止過(guò)對(duì)基于光時(shí)域反射計(jì)的分布式光纖傳感器探索的步伐，使用何種探測(cè)方法能夠獲得信噪比更高的信號(hào)、提高空間分辨率等；如何對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)獲取有用的信息，通過(guò)一代又一代的實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行一次又一次的實(shí)驗(yàn)嘗試，得到了如今常見(jiàn)的探測(cè)及解調(diào)的方法，并且能夠應(yīng)用在實(shí)際的通信、安防、監(jiān)測(cè)、軌道中。該項(xiàng)技術(shù)和國(guó)外相比，我國(guó)的起步較晚，但在國(guó)內(nèi)高校、科研院所的研究人員的不斷努力下，取得了很大的進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了實(shí)際場(chǎng)景的探測(cè)。隨著信息技術(shù)時(shí)代的到來(lái)，該系統(tǒng)以它高靈敏度以及能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)信號(hào)擾動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等諸多優(yōu)勢(shì)，必將成為傳感系統(tǒng)中十分成熟的技術(shù)手段。1國(guó)外研究現(xiàn)狀1993年德克薩斯A&M大學(xué)Taylor等REF_Ref73786675\r\h[1]REF_Ref73786837\r\h[3]人提出了超窄線寬激光器光時(shí)域反射計(jì)，對(duì)于更微弱的信號(hào)也能夠探測(cè)到；到了1998年P(guān)ark等REF_Ref73786858\r\h[4]人為驗(yàn)證Φ-OTDR的可行性，第一套使用直接探測(cè)的Φ-OTDR系統(tǒng)被搭建出來(lái)，它使用了環(huán)形激光器來(lái)發(fā)出連續(xù)激光，由聲光調(diào)制器（AOM）調(diào)制成4μs的脈沖光，經(jīng)耦合器注入6Km的光纖，采用了壓電陶瓷（PZT）來(lái)模擬振動(dòng)信號(hào)，加載在光纖的1Km處。使用光電探測(cè)器接收從耦合器輸出的瑞利散射光，實(shí)現(xiàn)了擾動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)，提高了探測(cè)的效果，但此時(shí)的空間分辨率僅有400m，其結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。圖1.3第一套基于直接探測(cè)的Φ-OTDR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖1.4Φ-OTDR擾動(dòng)檢測(cè)原理圖21世紀(jì)初，有研究人員采取直接探測(cè)結(jié)合干涉儀來(lái)提高信噪比和空間分辨率；2005年,Φ-OTDR系統(tǒng)被Taylor等人應(yīng)用于入侵檢測(cè)實(shí)驗(yàn)REF_Ref73786837\r\h[3]，此時(shí)，基于Φ-OTDR的分布式光纖傳感器處于起步階段；2010年，外差探測(cè)首次提出，測(cè)試范圍得到明顯提升。2011年，Pan等REF_Ref73786902\r\h[5]基于數(shù)字相干檢測(cè)首次對(duì)待測(cè)信號(hào)進(jìn)行相位解調(diào)，解決了前期研究中大家主要關(guān)注傳感信號(hào)的解調(diào)、傳輸距離提升、信噪比提升而忽略相位信息，無(wú)法定量測(cè)量的問(wèn)題REF_Ref73786675\r\h[1]，同年，Qin等REF_Ref73787016\r\h[6]人又提出了一種基于偏振保持的外差探測(cè)結(jié)構(gòu)，采用直線感應(yīng)光纖的新布局來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光纖環(huán)路，有效的將外差探測(cè)的空間分辨率提升到1m。隨后，相位解調(diào)方式不斷衍生出來(lái)，2013年，3×3耦合器法被普林斯頓大學(xué)的He等人應(yīng)用在Φ-OTDR系統(tǒng)上，信號(hào)衰弱得以消除，且及時(shí)響應(yīng)效果明顯；2016年，MARTINS等REF_Ref73786998\r\h[7]人把PSK編碼與數(shù)字I/Q解調(diào)相結(jié)合，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示空間分辨率達(dá)到了厘米量級(jí)，總傳感距離為500m;2019年，PDM-BDSK編碼被Dorize等REF_Ref73787035\r\h[8]人應(yīng)用在了基于馬赫曾德干涉儀的外差探測(cè)器上，提高了長(zhǎng)距離傳輸?shù)撵`敏度和高帶寬性能。一直到現(xiàn)在，學(xué)者們依舊不斷在探索直接探測(cè)和外差探測(cè)的最優(yōu)化方案，而相位解調(diào)的方法也受到了廣泛的關(guān)注。表1國(guó)外近年來(lái)Φ-OTDR系統(tǒng)探測(cè)、相位解調(diào)研究進(jìn)展年份（年）研究者研究成果主要成就1993Taylor等提出超窄線寬激光器光時(shí)域反射計(jì)能夠探測(cè)到更微弱的信號(hào)1998Park等搭建第一套直接探測(cè)的Φ-OTDR系統(tǒng)提高了探測(cè)效果，但空間分辨率僅有400m2005Taylor等Φ-OTDR的分布式光纖傳感器應(yīng)用應(yīng)用于入侵檢測(cè)2011Shang等提出基于數(shù)字相干解調(diào)開(kāi)創(chuàng)相位解調(diào)先河2011Qin等提出基于偏振保持的外差探測(cè)結(jié)構(gòu)將外差探測(cè)的空間分辨率提升至1m2013He等提出3×3耦合器法進(jìn)行相位解調(diào)信號(hào)衰弱得到消除2016Martins等將PSK編碼與I/Q解調(diào)相結(jié)合傳感距離達(dá)到500m2019Dorize等將PDM-BDSK編碼應(yīng)用在外差探測(cè)上長(zhǎng)距離傳輸靈敏度得到提高2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)對(duì)分布式光纖傳感系統(tǒng)的研究起步較晚，主要依托于高校實(shí)驗(yàn)室和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)，雖然起步晚，但在近幾年的研究中取得了巨大的成效。在提高系統(tǒng)的探測(cè)與相位解調(diào)外，國(guó)內(nèi)更偏向?qū)嶋H場(chǎng)景的測(cè)試與應(yīng)用。2009年，電子科技大學(xué)的Rao等REF_Ref73787052\r\h[9]人，把直接探測(cè)和雙向拉曼放大技術(shù)兩者進(jìn)行結(jié)合，并在光路上增加了馬赫曾德干涉儀，提高了信噪比，探測(cè)距離為62Km，空間探測(cè)率為100m；2010年，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所在相位生成載波的基礎(chǔ)上結(jié)合差分自乘，獲得了PGC-DSM算法，它具有更高的信噪比和更低的總諧波失真REF_Ref73787068\r\h[10]；在6年后，北京航空航天大學(xué)的Shang等REF_Ref73787091\r\h[11]人將微分交叉算法（PGC-DCM）應(yīng)用于分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)來(lái)接收水下的信號(hào)，證明了該方法的可行性；同年，電子科技大學(xué)Wang等REF_Ref73787106\r\h[12]人在Φ-OTDR中應(yīng)用了90°光學(xué)混頻的IQ解調(diào)法，實(shí)現(xiàn)了10m的空間分辨率和34.1dB的信噪比；2012年，基于數(shù)字相干檢測(cè)和維納濾波技術(shù)Φ-OTDR傳感系統(tǒng)被LIANG等REF_Ref73787127\r\h[13]人提出，解決了在系統(tǒng)中存在的由激光器產(chǎn)生的相位噪聲和探測(cè)器產(chǎn)生的加性噪聲引起的相位波動(dòng)問(wèn)題，成功提高了相位解調(diào)的精度；2017年，天津大學(xué)的王大偉等人將直接探測(cè)的Φ-OTDR應(yīng)用在供水管道振動(dòng)檢測(cè)上，并在承德做了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)對(duì)管道泄露的辨識(shí)準(zhǔn)確率已經(jīng)達(dá)到了96.7%。圖1.5光纖傳感器管道振動(dòng)檢測(cè)原理圖2019年，王鵬飛等REF_Ref73787145\r\h[14]人采用直接探測(cè)的方法，將Φ-OTDR系統(tǒng)應(yīng)用于山西省沁水縣10Km的煤層氣的輸氣管線上，實(shí)現(xiàn)了20m的空間分辨率。在這之后，上海電力公司聯(lián)合上海先進(jìn)通信與數(shù)據(jù)科學(xué)研究院使用了兩個(gè)激光器作為光源搭建了外差探測(cè)結(jié)構(gòu)，利用相位差法大大減少了由激光光源產(chǎn)生的噪聲，在全長(zhǎng)45Km的傳輸光纖鏈路上，達(dá)到了10m的空間分辨率和37.7dB的信噪比REF_Ref73787169\r\h[15]。近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)的相位解調(diào)技術(shù)發(fā)展十分迅速，攻克了許多難題，成果顯著。表2國(guó)內(nèi)近年來(lái)Φ-OTDR系統(tǒng)探測(cè)、相位解調(diào)研究進(jìn)展年份（年）研究者研究成果主要成就2006Rao等直接探測(cè)與拉曼放大結(jié)合，在光路上增加馬赫曾德干涉達(dá)到62Km的探測(cè)距離和100m的空間探測(cè)率2010中國(guó)半導(dǎo)體研究所相位生成載波的基礎(chǔ)上結(jié)合差分自乘，獲得了PGC-DSM算法提高了信噪比，降低了諧波失真2012Liang等提出基于數(shù)字相干檢測(cè)和維納濾波技術(shù)Φ-OTDR傳感系統(tǒng)解決激光器和探測(cè)器產(chǎn)生的噪聲2016Shang等提出微分交叉算法接收水下信號(hào)得到實(shí)際應(yīng)用2016Wang等應(yīng)用了90°光學(xué)混頻的IQ解調(diào)法10m的空間分辨率和34.1dB的信噪比2017王大偉等直接探測(cè)法應(yīng)用應(yīng)用在供水管道振動(dòng)檢測(cè)，分辨率達(dá)到96.7%2019王鵬飛等直接探測(cè)法應(yīng)用應(yīng)用在煤層氣的輸氣管線上，實(shí)現(xiàn)了20m的空間分辨率2019上海電力公司等雙激光源相位差法外差探測(cè)法達(dá)到10m的空間分辨率和37.7dB的信噪比參考文獻(xiàn)王磊,李永倩,張立欣,李紅.Φ-OTDR系統(tǒng)中的相位解調(diào)方法研究進(jìn)展[J].激光技術(shù),2019,43(1):69-74.馬皓鈺,王夏霄,馬福,于佳.Φ-OTDR型分布式光纖聲波傳感器研究進(jìn)展[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2020,57(13)：130005.TaylorHF,LeeCE.Apparatusandmeth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