前言

在光纖傳感領(lǐng)域，分布式光纖振動傳感器（DOFVS）是實現(xiàn)光纖集成傳感與通信（ISAC-OF）的關(guān)鍵技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于城市結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、海洋地震探測以及管道、電纜、周界安全監(jiān)測。近些年的研究重點聚焦于超過100公里的長距離DOFVS，但是現(xiàn)有技術(shù)如基于正向干涉儀或基于背向散射的方法均存在一定的局限性。本文提出了一種基于光頻域反射儀（OFDR）和皮爾遜相關(guān)系數(shù)（Pearson-CC）的單端超100公里的分布式振動傳感器技術(shù)，為長距離振動監(jiān)測提供了新方案。

技術(shù)原理

該技術(shù)核心原理基于OFDR的基本理論。在OFDR系統(tǒng)中，本地振蕩器參考光與包含瑞利背向散射和菲涅爾反射的信號光干涉形成拍頻信號，通過對參考信號和測試信號進行處理，在光頻域計算Pearson-CC來評估瑞利背向散射譜的變化。當(dāng)有振動事件發(fā)生時，振動會引起瑞利背向散射譜改變，進而導(dǎo)致Pearson-CC下降，且下降幅度與振動幅度相關(guān)。為精準(zhǔn)定位振動事件，采用修剪精確線性時間（PELT）算法，基于動態(tài)規(guī)劃原理對Pearson-CC序列進行最優(yōu)分割，有效識別出序列中的變化點，即振動事件的位置。

圖 1.解調(diào)振動事件的算法處理流程圖

圖 2.用于變化點檢測的PELT算法處理流程圖

實驗結(jié)果

在實驗環(huán)節(jié)，搭建了內(nèi)部調(diào)制OFDR系統(tǒng)。該系統(tǒng)以中心波長1550nm、線寬小于1kHz、光功率約8mW的硅基光子芯片激光器為光源，通過任意波形發(fā)生器（AWG）控制實現(xiàn)可調(diào)諧激光源（TLS）。實驗中，在100.9km的單模光纖（FUT）上設(shè)置兩個壓電換能器（PZTs）模擬振動事件。對不同電壓激勵下的PZT1進行測試，結(jié)果顯示，通過檢測Pearson-CC的階躍變化和計算差分Pearson-CC，能準(zhǔn)確地定位振動事件并獲得與振動幅度呈良好線性關(guān)系的結(jié)果，R2達到0.9993。同時，成功實現(xiàn)了對100km光纖上兩個同時發(fā)生的振動事件的定位，驗證了該技術(shù)在多振動事件監(jiān)測方面的能力。此外，實驗得出該傳感器的應(yīng)變分辨率為868pε，空間分辨率為15.3m。與以往基于互相關(guān)相似性分析（CCSA）的方法相比，本文所提方法優(yōu)勢顯著。CCSA方法難以證明非相似性與振動應(yīng)變的線性關(guān)系，且在低振幅振動檢測和長距離應(yīng)用中表現(xiàn)欠佳。而基于Pearson-CC的方法應(yīng)變分辨率更高，線性度更好，能有效檢測出2.608nε的微弱振動，而CCSA方法無法做到。

圖3.OFDR 系統(tǒng)框架圖

圖4 振動事件定位結(jié)果圖

總結(jié)

總體而言，這項基于OFDR和Pearson-CC的分布式振動傳感技術(shù)，為長距離、高分辨率的光纖振動監(jiān)測提供了一種簡單且有效的方案，在現(xiàn)有光纖通信網(wǎng)絡(luò)的分布式監(jiān)測中極具應(yīng)用潛力，有望推動海洋地震探測、管道安全監(jiān)測等領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展。

審核編輯 黃宇