感知万物——探寻光纤分布式声波传感技术的新路径

作者 | 范存政，李豪，肖翔鹏，闫志君，刘德明，孙琪真

华中科技大学

 

什么是光纤DAS技术？

光纤DAS技术作为一种利用光纤瑞利后向散射光信息实现光纤沿线声波探测的新技术，其中的无源光纤兼具传输信息和传感介质的双重作用。

常见的高灵敏光纤DAS系统大多基于相位敏感光时域反射计（φ-OTDR），由于瑞利后向散射光相位变化与作用于光纤上的声波呈线性关系，通过解调光相位变化即可线性获取声波信号。常见的DAS系统通常采用普通单模光纤（SMF）作为传感光纤，然而其瑞利后向散射光极其微弱，传感光信号信噪比较低,进而导致基于φ-OTDR的DAS系统解调相位信号信噪比较差。此外，由于注入光纤的是窄线宽高相干的激光脉冲，一个脉冲内瑞利散射点之间的干涉会产生干涉相长相消，其中干涉相消会导致后向散射光相干衰落的出现，进而在传感光纤上形成“死区”。

近年来，也有诸多针对单模光纤DAS系统相干衰落等噪声的抑制技术，但同时增加了系统的复杂度和成本，并带来了响应频带、传感距离等的“牺牲”。因此，研究适合于DAS技术的新型传感光纤及分布式声波探测机理，是实现大尺度、高精度、高一致性的声波探测的有效路径。

 

光纤DAS的基本原理

光纤DAS是通过测量由光纤轴向应变的改变引起的光相位变化实现声波感知的。当声波作用在光纤上时，会使光纤在轴向产生应变，从而改变光纤中瑞利散射信号的相位。如图1所示，只要提取得到探测光在AB两点的相位差的变化，便可得知AB两点之间光纤段的轴向应变变化，最终实现声波和振动的定量感知，而光纤不同位置处的相位无失真解调则是实现高性能DAS的关键所在。

瑞利散射为弹性散射，不会产生任何非线性效应，且不同位置的瑞利散射光可通过反射回光纤发射端的时间进行区分，因此基于光纤瑞利散射相位提取技术——相位敏感光时域反射技术（φ-OTDR）被广泛地应用于DAS中。2011年，利用外差相干探测技术（如图2），瑞利散射信号的相位首次被成功解调。

图2 典型外差相干探测方案

除了基于外差相干探测方案，相关领域研究人员还提出了各种其他相位解调方案，如基于3×3耦合器的相位解调方案、相位生成载波（PGC）方案、基于线性扫频脉冲的相位解调方案等，均能实现分布式的光相位解调。

 

散射增强特种光纤及其DAS技术

由于具有分布式探测、高空间分辨率、高灵敏度等优势，普通单模光纤DAS技术已经在地质监测、管线监测、石油勘探等领域得到了应用。但是，这种技术仍然有干涉衰落、信号一致性差等局限性，难以满足分析介质内部属性时高保真追踪声波的需求。

为了解决单模光纤DAS干涉衰落的问题，相关研究学者进行了一系列的研究。其中，通过对光纤改性来增强光纤后向散射是非常有效的方式，包括连续散射增强和通过在光纤中引入微结构的离散散射增强。此外，针对微结构光纤的特点，研究者们还设计和改进了与其匹配的光学探测方案，以提升DAS系统的性能。

• 基于连续散射增强光纤的DAS技术

连续散射增强通过增强整条光纤的瑞利散射来实现相干衰落的抑制，其本质是通过在光纤进行掺杂或者刻写连续光栅等方式，增强瑞利散射模型所述等效散射点的散射强度，从而提升干涉叠加后的光强度，最终实现干涉衰落的抑制。

2017年，美国OFS实验室基于相位掩模法通过紫外曝光在单模光纤中刻写连续布拉格光栅，使得光纤后向散射强度增加了14 dB，其反射谱如图3（a）所示。

其与英国Fotech公司合作，将连续散射增强光纤用于DAS系统中，在1 km的连续散射增强光纤上将信噪比提升了15 dB。这种方式有效地提升了信噪比，但是这种光纤的适用范围有限，难以用于高温、高压等特殊环境。

除了刻写连续光栅，改变光纤掺杂也是一种提高瑞利散射强度的方法。

2018年，俄罗斯科研团队使用氮掺杂光纤作为传感光纤，将声波探测的信噪比提升了3 dB。同年中国科学院半导体研究所的研究团队使用铒掺杂光纤进行分布式光纤传感，如图4（b）、（c）所示，采用相位生成载波的光学方案，使得相位噪声降低了14 dB，在1.9 km的光纤上实现了高信噪比的声波测量。

图3 典型连续散射增强光纤方案。（a）典型连续散射增强光纤的后向反射信号分布；（b）改变光纤掺杂提高瑞利散射方案；（c）高瑞利散射光纤散射频谱。

• 离散散射增强光纤及DAS技术

除了连续散射增强，更多的研究学者将目光投向了离散散射增强光纤在DAS上的应用。2017年，华中科技大学率先提出离散散射增强光纤，并成功应用于DAS技术中，获得了优异的传感性能。这种光纤如图4所示，其本质为每隔一段距离，对瑞利散射模型的一个等效散射点的散射强度进行增强，这种散射增强点（SEP）的强度远远大于普通的等效散射点。

图4 离散散射增强光纤示意图

为了验证其有效性，华中科技大学建立了基于宏微观结合分析的DAS理论模型，其中微观模型中可对离散增强散射模型及单模光纤散射模型进行理论分析,试验分析如图5所示。仿真结果显示，在100次的重复仿真中，由于单模光纤等效散射点为随机分布，其相位也为随机分布；而散射增强光纤解调相位不受普通等效散射点的随机分布影响，主要由散射增强点的位置决定，大大抑制了相位噪声。

图5 离散增强散射模型仿真结果。（a）离散增强光纤反射分布；（b）单模光纤反射分布；（c）离散增强光纤和单模光纤的相位解调结果

• 离散散射增强光纤的制备与实现

目前离散散射增强光纤的实现方式主要分为两类，一种是通过在光纤中引入周期性的超弱布拉格光栅（UWFBG）阵列实现离散散射增强，另一种是在光纤中引入局部无色弱反射阵列实现离散散射增强。

UWFBG通常是使用紫外光或飞秒激光对光纤折射率调制，使其形成永久性的周期变化，从而实现特定波长光的后向反射。在国内，武汉理工大学和深圳大学分别采用紫外曝光法和飞秒激光直刻的方式实现了UWFBG的制备，其最经典的紫外曝光法制备系统如图6所示。由于UWFBG的带宽一般较窄，在高温、低温、高压等特殊环境中，UWFBG的反射谱和探测光波长出现失配现象，可能产生传感盲区。

图6 典型UWFBG制备系统

近几年，局部无色弱反射阵列的增强方案也被用于DAS中。为了制备具有更强普适性的离散散射增强阵列，华中科技大学团队提出了一种无色反射点的微结构光纤制备方法，制备系统如图7所示，其不借助相位掩模版，直接通过紫外光曝光在光纤中引入局部折射率改变，实现了5 m间隔的15 dB离散散射增强阵列，其微结构光纤的带宽覆盖了整个放大自发辐射（ASE）谱宽，当温度变化时，微结构的散射强度极为稳定。

图7基于紫外曝光的无色微结构阵列制备方法

 

如何提升DAS系统性能？

近年来，人们更多关注的是利用离散散射增强光纤的优势对DAS方案针对性地改进，从低频相位漂移补偿、偏振衰落抑制、脉冲宽度压缩、系统响应带宽扩展等多个维度提升DAS系统性能。

• 低频相位漂移补偿技术

离散散射增强光纤DAS系统信号一致性好，且不受瑞利随机散射的影响，使其有了极低频探测的潜力。然而，在DAS系统中，激光器相位的低频漂移和外界温度的缓慢变化会对系统带来较大的低频噪声，限制了低频探测的精度。一种典型的补偿方案辅助干涉仪法，通过辅助干涉仪实时测量激光器相位噪声、温度变化等低频干扰，然后通过线性或非线性的方式对测量结果补偿，实现了低频噪声的抑制。其中，华中科技大学基于最小二乘-支持向量机的非线性补偿算法，在0.001 Hz上实现了高精度的声波探测。

• 偏振衰落抑制技术

在DAS中，信号衰落分为干涉衰落和偏振衰落两种。不同于单模光纤DAS中干涉衰落更加影响信号质量，在离散散射增强光纤DAS系统中，由于相干衰落被完全抑制，偏振随机衰落成为了亟须解决的问题。因此研究人员提出了偏振分集探测、等方案对偏振衰落进行了抑制。

1. 脉冲宽度压缩技术

在DAS系统中，散射增强点的间隔确定了系统的分辨率，也限制了探测脉冲的宽度。假设散射增强点的间隔为d，则探测脉冲被限制小于2dn/c（其中n为光纤折射率，c为真空中光速）。研究人员通过借鉴雷达系统的信号压缩方案，通过脉冲线性扫频、脉冲编码等方式发射较长的探测脉冲并在接收端对脉冲进行压缩，从而在保证分辨率的前提下得到高信噪比的信号。

1. 采样频率拓展技术

在DAS系统中，系统采样率主要受限于传感光纤的长度。当系统向光纤发射探测脉冲后，需要保证脉冲传至最远端的瑞利散射信号反射回接收端后才能发射下一个脉冲，否则将产生串扰。解决这一问题的思路为发射多个探测光并行，并通过某一特征将其区分，以避免串扰。其中，利用离散散射增强光纤中两个散射增强点之间的时间资源，华中科技大学在两散射增强点的时隙中插入新的探测脉冲，通过时隙复用的方式实现了采样频率的拓展。

 

DAS技术未来发展方向