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1 引言
分布式光纤传感技术利用光纤自身既作为信号传输介质又作为传感单元的特点来连续获取光纤沿线振动、应变以及温度等物理量的分布情况，从而实现分布式长距离测量[1]。分布式光纤传感技术主要包括基于干涉原理[2-3]的分布式传感技术和基于瑞利[4]、布里渊[5-6]以及拉曼[7-8]等散射机制的分布式传感技术，这些技术的单独或结合使用不仅能实现高精度和高空间分辨率传感，而且还能实现多物理参数的同时测量。
如今，分布式光纤传感在周界安防、电力石油管线和轨道交通的安全监控以及大型建筑结构的健康监测等场合中具有非常广阔的应用前景[9-17]。2014年电子科技大学饶云江教授课题组利用基于相位敏感型光时域反射技术(phase-sensitive optical time domain reflectometry, φ-OTDR)的分布式传感系统探测铁轨沿线的振动信号，实现了在10.2 km距离内运行列车的实时定位，并且对列车位置微分后能实时提取列车速度[14]。同年，该课题组搭建了基于φ-OTDR的管道入侵监测系统，利用拉曼放大和相干探测实现了长达131.5 km的管道安防监控，空间分辨率约为8 m[15]。2017年，Maraval等人利用基于自发布里渊散射技术(Brillouin optical time domain reflectometr, BOTDR)实现了实验室模拟搭建的管道健康监测，应变精度约为±40 με[16]。实际应用中，仅对单一物理量的监测往往并不能全面有效分析入侵事件或故障。目前国内外多参数测量主要集中在对温度和应变等静态物理量的同时测量。然而，探测振动的频响范围和应变的动态响应速度及范围都会严重影响事件定位和识别的效果。因此，多参数测量首先需要解决的是宽频振动测量和应变的动态测量，在此基础上融合多散射机制实现多参数的测量。下面将分为三部分进行介绍：理论分析，国内外研究进展，总结与展望。
2 理论分析
光时域反射技术的工作原理是将一束调制后的脉冲光注入到传感光纤中，脉冲光在向前传输过程中不断产生后向散射光，通过光电探测器采集后向散射信号并分析处理。采用光时域反射技术的主要包括φ-OTDR、基于受激布里渊散射的布里渊光时域分析仪(Brillouin optical time domain analysis, BOTDA)以及基于拉曼散射的拉曼光时域反射计(Raman optical time domain reflectometry, ROTDR)，这三种后向散射光的光谱关系如图 1所示。
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ROTDR系统中拉曼散射光强度只与温度有关。通过对斯托克斯拉曼散射光与反斯托克斯拉曼散射光同时采集，利用它们的比值来进行温度解调，该解调方法可以消除光源不稳定性、环境干扰及光纤微弯引起的损耗等影响。反斯托克斯散射光与斯托克斯散射光强度之比为
\( F\left( T \right){\rm{ = }}\frac{{{I_{{\rm{AS}}}}}}{{{I_{\rm{S}}}}} = {\left( {\frac{{{\lambda _{{\rm{AS}}}}}}{{{\lambda _{\rm{S}}}}}} \right)^{ - 4}}\exp \left( {\frac{{ - h\Delta \nu }}{{{k_{\rm{B}}}T}}} \right), \)(1)
其中：λAS、λS分别为反斯托克斯和斯托克斯拉曼散射光的波长，h是普朗克常数，Δν为光纤分子的拉曼声子频率，kB是玻尔兹曼常数，T是热力学温度。由上式可得到光纤沿线的温度信息，从而实现对分布式光纤温度的解调。
φ-OTDR系统主要用于振动测量。采用超窄线宽的激光器，光源经过声光调制器(acoustooptic modulator, AOM)调制为脉冲光，并注入到传感光纤。脉冲宽度决定系统空间分辨率，即∆z=vgTp/2，其中vg是光纤中光传播的群速度，Tp是光脉冲宽度。由于光源具有很高的相干性，从而导致探测器探测到的光强是光纤沿线后向瑞利散射光干涉的结果。外界物理量的变化会导致多光束干涉光的的相位变化，最终使得干涉的光强发生变化。扰动信号能通过光强变化信号以及前后脉冲光注入传感光纤的间隔时间来确定。但φ-OTDR系统为了避免干涉信号之间的串扰，在一个测量周期内传感光纤只允许传输单个光脉冲，则系统中前后脉冲最小间隔时间为τ=2L/vg，其中L为传感光纤长度。显然，脉冲光的最大重复频率fmax=1/τ=vg/2L。由上式可知，光纤长度极大限制了振动的探测频响范围。此外，信号处理中平均算法虽然能提升定位信号的信噪比，但平均次数过多同样也会使得探测频响降低[18]。
BOTDA系统主要用于温度和应变的测量。一束光作为泵浦光，并调制成脉冲光实现分布式测量，脉冲宽度同样决定系统空间分辨率；另一束光是连续光作为探测光，其频率比泵浦光频率低约一个光纤布里渊频移，然后进行频率调制。泵浦光和探测光分别从光纤两端注入到传感光纤，发生受激布里渊散射。对受激布里渊散射放大后的探测光进行采集处理，扫描探测光频率，得到光纤布里渊增益谱。利用洛伦兹拟合得到布里渊中心频移，根据如下公式可以进行温度或应变的解调：
\( \Delta {\nu _{\rm{B}}} = {C_{{\rm{B}}, \varepsilon }}\Delta \varepsilon + {C_{{\rm{B}}, T}}\Delta T, \)(2)
其中：ΔνB为光纤布里渊频移的改变量，CB, ε、CB, T分别为光纤应变和温度系数，Δε、ΔT为光纤的应变和温度变化。
前面提到BOTDA系统探测光的频率需要在光纤布里渊频移附近扫描，但会带来耗时的频率扫描过程。同样响应速度还会受到泵浦脉冲的渡越时间、平均次数、微波源的频率转换速度[19-20]等因素的限制，使得BOTDA仅适用于温度、应变等静态参数的测量，很难实现大范围的动态测量。
前面分析可知，传统φ-OTDR的分布式振动测量的频率响应主要受到平均次数和光纤长度的限制，导致很难用于高频事件的响应和识别。传统BOTDA系统动态响应速度还受到渡越时间、平均次数、微波源的频率转换速度的限制。下面将介绍一些克服上述限制因素的关键技术，从而实现振动宽频测量和应变动态测量，并介绍基于多散射机制的多参数测量。
3 国内外研究进展 3.1 基于瑞利散射的光纤分布式宽频振动传感技术研究
传统的基于φ-OTDR分布式振动传感系统对于高频振动事件的定位和识别主要受到平均次数和传感距离的限制。其中采用平均算法是为了得到更好的定位信噪比，但却牺牲了探测频率范围。2010年，加拿大渥太华大学鲍晓毅教授课题组[18]在基于外差探测的φ-OTDR系统上利用相干外差探测方式有效提高了后向瑞利散射信号的信噪比。并提出用移动平均和移动差分的方法处理光电转换后的后向瑞利散射信号，在确保较高定位信噪比的前提下有效减少平均次数，从而提高系统探测频率响应以及实时性，但该方法仍受限于传感光纤长度。
为了进一步提高探测频率响应，重庆大学朱涛教授课题组提出基于φ-OTDR与马赫曾德尔干涉仪(Mach-Zenhder interferometer, MZI)融合的分布式振动传感系统[21-22]，如图 2所示。传统的基于干涉原理的分布式传感系统具有频率响应范围宽等特点，但其定位精度不高；而基于φ-OTDR的分布式系统具有定位精确和多点测量等特点，但其探测频响受到传感距离和数据处理的限制。利用基于φ-OTDR与MZI融合的分布式传感系统能够保证精确测量的同时提高探测振动的频率响应，沿1064 m传感光纤上实现了5 m的空间分辨率以及10 Hz到3 MHz的频率响应范围。
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图 2中分布式反馈激光器(distributed feedback lasers, DFB)经过耦合器分成两路光：一路作为参考光；另一路作为探测光，并以光脉冲和背景光的形式周期性地注入到传感光纤，即一个周期光信号包括一个具有较高光功率的窄脉冲光I1，以及一个具有较低光功率的背景光I2。利用磕铅笔的方式来模拟高频振动，频率高达数十兆赫兹，作用传感光纤后，对窄脉冲I1产生的后向瑞利散射信号进行移动平均和差分处理，即可实现定位。与此同时，连续光在传感光纤末端和参考光发生干涉，对干涉信号解调并进行快速傅里叶变换即可得到振动信号的频率信息。图 3和图 4给出了任意信号发生器的偏置电压分别为50 mV，100 mV，150 mV和200 mV时振动测量的定位和频率信息。图 3可见长度为1065 m的传感光纤约610 m处有明显的峰值变化就是磕铅笔的位置，并表明定位信噪比随着电压偏置量的增加而降低。图 4可知，该传感系统可探测最高振动频率和幅频信噪比随着电压偏置量的增加而增加。其中当电压偏置量为200 mV时，实验中得到的最高可探测频率为3 MHz。而传统的φ-OTDR系统在相同光纤长度下，最高可探测频率仅约为50 kHz。因此在该方法下探测频响得到了显著的提升。
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基于脉冲调制的融合型传感系统能够实现长距离高空间分辨率和宽频振动测量。但是连续光I2的强度对系统的性能影响很大。当连续光I2强度较强时，脉冲光I1的散射信号会受到连续光I2散射信号的干扰，降低φ-OTDR定位的信噪比；若连续光I2强度较低，会降低MZI干涉信号的信噪比并缩短探测频响范围。在融合型传感系统的基础上，重庆大学朱涛教授团队利用时分复用(time division multiplexing, TDM)的技术，使连续光和脉冲光在时间上产生一定的延迟，在解调时避免了干涉信号与散射信号的干扰[22-23]。系统图如图 5所示。实验中探测光调制成脉宽为50 ns的窄脉冲光和980 μs的宽脉冲光，并以16 μs的延迟注入到1150 m的传感光纤中。探测频率提高至6.3 MHz，同时信噪比达到了5.6 dB，如图 6所示。
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基于脉冲调制和TDM技术的融合型传感系统，虽然能够实现精确定位和宽频率响应的分布式振动测量，但同时引入了MZI，增加了系统复杂性。而传统φ-OTDR系统的探测频率仍然受到传感距离的限制。重庆大学朱涛教授团队采用基于频分复用(frequency division multiplexing, FDM)技术的φ-OTDR系统[22-24]，将探测脉冲重复频率设置为30 kHz，在沿着3024 m的传感光纤上实现了25 kHz振动频率的测量。实验原理是将探测光调制成N个光频率的光脉冲(如图 7(a)所示)，在解调端将这N个频率的脉冲光产生的后向瑞利散射光(如图 7(b)所示)，分别进行移动平均和差分处理。由于一个采样周期内得到的后向瑞利散射曲线的数量是传统φ-OTDR系统的N倍，因此在相同测量时间内基于频分复用技术的φ-OTDR系统能在与传统φ-OTDR系统平均次数相同的情况下实现更高可探测频率响应。
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基于频分复用技术的φ-OTDR实验系统如图 8所示，探测光被调制成两个脉冲光，其中一个脉冲光的脉宽为100 ns并产生200 MHz的频移；另一脉冲光的脉宽为100 ns以及频移为100 MHz。实验采用3024 m长的传感光纤，则探测光脉冲的最高重复频率为33 kHz。为了验证系统能突破传感光纤长度对系统最高频率响应的限制，驱动AOM的任意波形发生器(arbitrary waveform generator, AWG)的重复频率设置为30 kHz。由奈奎斯特定理可知，探测脉冲的重复频率即采样频率为30 kHz时，系统可探测最高振动频率为15 kHz，并且数据处理会更加缩短系统可探测频率范围。压电陶瓷的振动频率设置为25 kHz，振动测试实验结果如图 9所示。实验结果表明，采用两个不同光频的光脉冲作为探测光能够实现高至两倍的探测频响，因此能突破传感光纤长度对振动频率响应的限制。
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此外，2016年西南交通大学闫连山教授团队[25]将前面介绍的系统有效地结合在一起，即融合φ-OTDR与MZI分布式系统的同时利用了FDM技术。在3 km的传感光纤上实现了10 m的空间分辨率，并在保证信号信噪比的前提下，其可探测的振动频率提高至40 kHz。2017年上海交通大学何祖源教授团队[26]利用FDM技术将探测光调制成4个频率的脉冲光，在10 km的传感光纤上利用直接探测实现了40 kHz的频率响应，其中直接探测有效降低了对光电探测器带宽以及采集卡采样率的要求。
基于φ-OTDR与MZI融合的分布式传感系统利用探测脉冲光时分复用技术，以及φ-OTDR系统利用频分复用技术，都能提高振动测量的频响范围。在保证定位信噪比的前提下，突破了传统φ-OTDR系统的频率响应因平均次数以及传感距离的限制。
3.2 基于布里渊散射的分布式光纤动态测量系统技术研究
前面介绍了分布式光纤传感系统在宽频振动上的技术研究。然而在大型结构的健康监测中往往还有低频振动以及大应变所致的振动存在，对于φ-OTDR系统很难实现低频振动以及大应变的动态测量。BOTDA系统利用布里渊频移能实现温度或应变的测量。但传统的BOTDA中，响应时间会受到泵浦脉冲的渡越时间、平均次数、微波源的频率转换速度等因素的限制，使得BOTDA仅适用于温度、应变等静态参数的测量。为了提高BOTDA的动态响应能力，2009年Bernini等人[27]提出了基于BOTDA的斜率辅助技术(slope-assisted BOTDA, SA-BOTDA)，其原理如图 10所示。
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与传统的BOTDA探测光的频率需要在光纤布里渊频移附近扫描不同，SA-BOTDA将探测光频率固定在布里渊增益谱的半高处，避免了BOTDA中耗时的频率扫描过程，大大提高了BOTDA的动态响应能力。当光纤受到外界应力扰动时，布里渊频移的变化就会转换成探测光光强的变化。通过对探测光光强的记录就可以获取到加载在光纤上的应变信息。
SA-BOTDA传感系统实验图如图 11所示，泵浦光被强度调制器(intensity modulator, IM)调制成重复频率为50 kHz的脉冲。探测光在传感光纤中与泵浦光发生受激布里渊散射作用后，由光电探测器(photoelectric detector, PD)探测后进行数据处理。30 m传感光纤的前3 m一端固定，另一端通过一个连接杆与直流电机连接，提供周期性的应变。采集到的动态应变信息如图 12所示，12.3 Hz的振动信号可以清晰识别。
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SA-BOTDA可以对几百赫兹到千赫兹的振动信号探测，但是由于布里渊增益谱带宽较小且SA-BOTDA只能利用布里渊增益谱带宽的一半，使得SA-BOTDA的动态范围只有600 με左右。为了不牺牲BOTDA动态范围的同时提高BOTDA的动态响应能力，Yair等人[28]提出了Fast BOTDA技术。Fast BOTDA中采用高性能的任意波形发生器对探测光的频率进行调制，将不同频率的探测光拼接在一起，减少了使用微波源调制时的频率跳变时间。实验系统如图 13所示。DFB激光器的输出由3 dB耦合器分成探测光和泵浦光两路，泵浦光由电光调制器EOM2(electro-optic modulator)调制成脉宽为13 ns的脉冲光，经过掺饵光纤放大器EDFA2(erbium-doped fiber amplifier)放大后由环形器进入传感光纤。AWG产生的频率拼接信号通过具有IQ调制功能的矢量微波源移到11 GHz左右用于调制探测光。探测光经过调制后由EDFA1放大，并经过扰偏器、隔离器、衰减器后输入到传感光纤。与泵浦光发生作用后的探测光由光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating, FBG)滤去下边带后由PD探测。
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传感光纤由5部分组成，其中a、b两部分安装在手动位移台上提供静态应变，两个贴近光纤的扬声器提供动态应变。测得的布里渊增益谱如图 14(a)所示。可以清晰地看到80 Hz和100 Hz的振动信息为洛伦兹拟合后得到的振动信号，如图 14(b)所示。
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