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研究进展

OEA 封底文章

光纤分布式振动/声波传感技术及应用研究进展

指导

光纤分布式振动/声学传感技术利用窄线宽激光脉冲在光纤中传输时产生的瑞利背向散射光，实现跨越整条传感光纤的长距离、高空间分辨率的振动和声学检测。 与传统的电气或机械传感器相比，该技术具有全分布式监测、无需远程供能、灵敏度高、抗电磁干扰等优点，具有广阔的应用前景。 近日，南方科技大学邵立阳研究员/沈平教授与南京大学张旭平教授/王峰副教授联合研究团队在中国科学院发表题为Advances in phase-sensitive optical time-domain reflectometry的综述报告Opto-Electronic Advances杂志，详细总结了基于光纤分布式声波传感技术的研究进展和Ф-OTDR的应用，该报告被编辑选为2022年第5卷第3期的封底论文.

封底

论文首先分析了基于瑞利背向散射光强解调的DVS-Ф-OTDR和基于相位解调的DAS-Ф-OTDR系统的传感原理。 主要对外差检测IQ解调、外差检测Hit-Bode变换方案、基于3x3耦合器的直接检测方法、基于相位生成载波技术的直接检测方法等DAS相位解调技术进行了比较和讨论。 在此基础上，针对Ф-OTDR系统的关键传感参数光纤光谱仪 工作原理，包括传感距离、信噪比、频率响应范围、空间分辨率、振动特征识别精度等，对近年来报道的传感参数进行了研究进行了详细的讨论和分析。 性能提升的手段。 本次评测报告进一步总结了Ф-OTDR系统在多个领域的工程应用，涉及地质勘探、管道保护、周界安防、电缆局部放电检测等，以及形状传感、气体浓度传感、害虫检测。 应用。 最后，文章探讨了基于Ф-OTDR的光纤分布式声波传感技术未来发展的前景和挑战。 南方科技大学与澳门大学联合培养的博士生刘帅奇为第一作者。 南方科技大学创新创业学院副院长、电子与电气工程系研究员邵立阳为该论文的第一通讯作者。 南京大学王峰副教授为该论文的共同通讯作者。

研究背景

自2005年第一个基于相敏光时域反射计（Ф-OTDR）的光纤分布式振动传感（DVS）系统问世以来，Ф-OTDR得到快速发展和广泛应用，进一步产生了分布式声学传感（Distributed Acoustic Sensing， DAS）技术，能够定量分析声波的振幅。 在此基础上，研究人员对提高Ф-OTDR系统传感性能的技术进行了大量研究，包括传感距离、空间分辨率、频率响应范围、事件识别精度等关键技术指标。 基于其优越的远距离、高分辨率分布式振动/声波传感能力，Ф-OTDR技术近年来在工程中得到广泛应用。 在地震监测、油气资源勘探、管道泄漏检测、周界入侵报警、电缆局部放电报警等领域，都有比较成功的应用示范。

未来，在攻克新型传感光缆、创新传感机制、高效数据解调算法、精准振动事件识别等关键技术的基础上，基于Ф-OTDR的光纤分布式声波传感技术将进一步发展。应用潜力。 有望在形状传感、地质勘探等领域取得新突破。

创新研究

01

Ф-OTDR的原理和方案

综述分析了基于瑞利背向散射光强解调的DVS-Ф-OTDR和基于相位解调的DAS-Ф-OTDR系统的传感原理。

主要对外差检测IQ解调、外差检测Hit-Bode变换方案、基于3x3耦合器的直接检测方法、基于相位生成载波技术的直接检测方法等DAS相位解调技术进行了比较和讨论。

资料来源：Opto-ElectronAdv 5, 200078 (2022)

(图二)

02

Ф-OTDR系统关键传感参数

Ф-OTDR可以实现振动、动态应变等的分布式测量，通常可以通过几个技术参数进行评价，主要包括传感距离、信噪比、频率响应范围、空间分辨率和事件分辨能力。 综述对近年来改进不同参数研究的最新进展进行了详细的总结和分析。

信噪比是决定 OTDR 性能的关键参数。 它不仅决定了传感器的感应距离，也决定了传感器的灵敏度和准确度。 一方面可以放大探头的光功率并补偿传输损耗，通过增加信号强度提高信噪比。 另一方面，也可以通过抑制噪声来提高信噪比。

Φ-OTDR系统的空间分辨率是指不同事件之间能够区分的最短距离。 它反映了遥感系统的空间识别和定位能力。 空间分辨率与探头的脉冲宽度、光电探测器的采样率和采集卡有关。

为了解决传统的Φ-OTDR系统只能定位外部干扰但不能区分不同类型的入侵事件的问题，近年来对Φ-OTDR信号后处理的模式识别算法进行了广泛的研究。 模式识别算法可以根据振动信号的信号特征，将检测到的振动信号自动分类为感兴趣的入侵和不需要的环境噪声，从而大大提高了系统的报警准确率，降低了系统的误报率。

03

Ф-OTDR应用

通过适当的光学配置，Φ-OTDR 能够以高空间分辨率 (~m) 测量长距离 (~km) 的振动、应变或温度分布。 这种能力使得Φ-OTDR广泛应用于不同的场景。 本文综述了 Φ-OTDR 在不同应用领域的最新进展，包括地质勘探、周界监测、交通传感器、部分流量监测和其他新应用。 一些案例将传统的Φ-OTDR应用于新的应用场景，例如检测害虫侵扰，而另一些案例则引入特殊光纤或先进的后处理算法，将目标物理参数的测量转化为传感光纤沿线的振动、应变检测或温度变化，例如气体浓度水平和光纤弯曲方向。 这些新颖的应用表明，Φ-OTDR 系统是一种具有巨大潜力的适用于各种场景的有前途的工具。

外表

未来的研究可以集中在改进 Φ-OTDR 的工作原理，改进数据解释方法，扩大其应用领域。 在工作原理方面，uwFBG阵列、少模光纤、散射增强光纤或多芯光纤等特种光纤的发展可能会进一步提高Φ-OTDR的性能。 在数据解释方法方面，可以参考人工智能和计算机科学中先进的信号处理方法。 在实际工程应用中，需要对与实验条件差异较大的解释方法进行验证。 此外，Φ-OTDR还将应用于确定地下人员或飞机的位置、测量物体的变形等更多领域。

研究团队

01

南方科技大学光电智能传感实验室

邵立阳研究员于2017年8月加入南方科技大学，与沉平教授、宋章启教授等业内知名学者共建光电传感实验室。 实验室目前拥有光纤研磨抛光系统、光纤周界安防系统、光纤拉尖系统和飞秒激光加工系统。 常用的采购设备有台式电子扫描显微镜、尼康高分辨金相显微镜、飞秒激光器、小型离子溅射仪、光纤熔接机、保偏光纤熔接机、光纤光栅解调器、光时域反射仪、高性能示波器、电化学工作站、白光激光源、紫外-可见光谱仪、光纤光谱仪、高精度电动位移台、3D打印机、折射仪和温度控制器、光电强度调制器、光电相位调制器、高速宽带PD、CL波段单频可调激光和压电控制三维纳米位移平台等，并配备高性能计算服务器和COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件。

此外，南方科技大学微纳加工与分析测试中心、皮米中心、前沿与交叉研究所、量子科学与工程研究所、格拉布斯研究所（诺奖实验室）、低温电镜中心、等拥有一流的检测仪器和表征平台，课题组全力支持博士后使用学校的公共仪器和平台。

实验室致力于开发分布式光纤传感技术及工程应用、光纤激光器及其传感应用、微纳光学及其医疗应用、智慧海洋综合感知及系统装备等。

02

南方科技大学团队核心成员

邵立阳，博士，南方科技大学创新创业学院副院长，电子与电气工程系研究员，博士生导师。 IEEE/OSA高级会员，SPIE终身会员，中国光学学会高级会员，光学测试专委会/光纤与集成光学专委会委员，科技部重大仪器专项，国家自然科学基金委广东省科学技术厅、深圳市科技创新委员会等单位评审专家。 荣获2012年澳大利亚教育部“奋斗学者奖”、2014年“四川省高层次人才引进”、2015年“国家杰出青年专家”、2016年“詹天佑铁道科学技术奖青年奖”、2017年四川省“杰出人才”贡献专家”，2019年“深圳市高层次引进人才”，2020年“中国产学研促进奖”。 入选美国斯坦福大学发布的“全球前2%顶尖科学家”榜单，包括2019年和2020年“终身科学影响力排行榜”和“年度科学影响力排行榜”。 主要研究方向为分布式光纤传感技术与工程应用、光纤激光器及其传感应用、微纳光学及其医学应用、智慧海洋综合感知与系统装备等。目前已发表学术论文200余篇。在主要国际期刊和会议上发表，其中SCI论文142篇（第一作者和通讯作者71篇），包括Nat.Comm.Light Sci. 应用程序激光光子。 启..进阶。 电子。 Mater.NanoscaleBiosen。 and Bioelectron等8篇论文，总引用/其他引用5098/3500，H因子39； 受邀在IEEE ICCT、CLEO-PR、APOS等撰写综述文章4篇。在重要国际会议上作主题演讲2次，特邀报告近20篇，并担任TPC Chair/Organizing Committee of international会议20余次； 授权发明专利10余项。

沉平，南方科技大学讲座教授，OSA Fellow，SPIE Fellow，IEEE美国光电子学会全球副主席光纤光谱仪 工作原理，研究领域包括硅光子学、光纤智能传感技术、高功率光纤激光技术，发表论文逾发表论文900篇，H指数45；作为PI和Co-PI，申请科研项目经费5000万以上； 担任CLEO-PR 2017等大型国际会议主席，OGC、PGC、ICOCN、ICAIT等国际会议发起人； 曾创建课程项目“Enabled learning: E​​scape Room Design”被Channel News Asia、Channel U、Channel 8、Channel 5、Zhaobao等主流媒体以四种语言广泛报道；培养的博士生/博士后获得1全国优青、全国杰出青年2人、创业公司2家等；与国内外高校密切合作。

宋章启，教授，博士生导师。 曾任国防科技大学海洋声学研究所副所长（主持工作）。 主要从事光纤信息技术和海洋探测技术相关的教学和科研工作。 现任军事工程学会光电专业委员会委员。 先后承担和参与装备预研项目6项，国家重大专项5项，863项目3项； 主持光纤陀螺技术开发和技术转让横向项目8项； 作为核心骨干，还参与了型谱、示范验证项目和样板项目研究10余项。 发表论文50余篇，获得国家和军方发明专利10余项。

03

南京大学队

南京大学光通信工程研究中心在张旭平教授的带领下，专注于分布式光纤传感技术研究20余年。 拥有价值超过8000万元的相关专业设备和仪器。 承担了“面向城市地下扰动场的分布式光纤传感器”、“基于布里渊效应的光纤传感器网络基础研究”、“全分布式健康监测关键技术研究”等国家大型科研仪器研制。长距离海底光缆”项目、科技部重点研发计划、“973”、“863”等分布式光纤传感项目共计50余项，申请并获得相关200余项发明专利（包括国际和国家），发表学术论文300余篇。 团队在分布式光纤传感技术方向获得十余项省部级一等奖，包括江苏省科学技术奖一等奖、教育部技术发明奖一等奖、教育部技术发明奖一等奖等。教育部科技进步二等奖。 在南京市政府和南京大学的支持下，南京发爱博光电科技有限公司也随之孵化成立。 公司集自主研发、生产、销售为一体，专业从事分布式光纤传感设备的开发与工程应用。 称赞。 目前，在该团队的重要支持下，南京大学获批建设智能光传感与控制技术教育部重点实验室。 现有院士、海外特聘教授、长江学者、杰出青年等研究人员近60人。 高级人才20余人。

张旭平，南京大学二级教授、博士生导师，“智能光传感与控制技术”教育部重点实验室主任，南京大学“江苏省分布式光纤传感技术与网络工程研究中心”主任智慧城市研究院副院长、国务院政府特殊津贴专家、国家“三八”红旗手、中国光电子技术委员会副主任、IEEE SPS南京分会主席、全国光纤传感分技术委员会委员中国侨联委员、特聘委员，《光学学报》副主编。 主持的分布式光纤传感技术曾获江苏省科学技术一等奖、教育部科技进步一等奖、教育部技术发明一等奖、吴文军人工智能一等奖、中国“发明创业奖·人物奖”、中国国际工业博览会优秀成果特等奖、中国侨界（创新成功）贡献奖等。

王峰，南京大学现代工程与应用科学学院副教授，南京大学光通信工程研究中心副主任，江苏省高校“青澜工程”优秀青年骨干教师，光学学会高级会员(OSA)，电气与电子工程师协会(IEEE)高级会员，中国光学学会光学教育专业委员会委员。 作为研究骨干主持和参与国家自然科学基金面上/重点项目6项，973项目和国家重点研发项目2项，江苏省面上/重点项目3项。 在主要国际期刊和会议发表学术论文80余篇，申请/获得相关发明专利50余项，获教育部技术发明一等奖1项，江苏省科学技术一等奖1项，五等奖1项“吴文军人工智能科技进步奖”一等奖。 团队的研究方向主要为分布式光纤传感技术、光纤布拉格光栅传感技术及应用。

文章信息：

Liu SQ, Yu FH, Hong R, Xu WJ, Shao LY 等。 相敏光时域反射计的进展。 光电 Adv., 5(3), 200078 (2022)。

论文地址：

doi: 10.29026/oea.2022.200078

• 结尾•

来源丨光电智能传感实验室

排版丨行政团队

什么时候 | 2022 年 4 月

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