一种集成了相位敏感光时域反射仪（OTDR）和马赫-曾德尔干涉仪的宽带分布式声学传感系统

《Optics & Laser Technology》：A broadband distributed acoustic sensing system integrating phase-sensitive OTDR and Mach-Zehnder interferometer

提出一种Φ-OTDR与MZI融合的宽带分布式声学传感系统（B-DAS），通过单激光源和光纤实现振动频率与位置同步检测，突破传统Φ-OTDR的脉冲重复率限制。实验验证系统在6km光纤上达到160kHz频率响应和3.2m定位精度，SNR分别达15.2dB和56.9dB，较现有方案性能提升显著，且结构简化降低成本。

　　

谢朗|邱聚祥|王和超|徐景才|侯培东|吴宇

中国电子科技大学光纤传感与通信重点实验室（教育部），中国四川省成都市611731

摘要

本研究介绍了一种基于相位敏感光时域反射仪（Ф-OTDR）的分布式声学传感器，该技术具有高频响应和精确的多点定位能力。提出了一种宽带分布式声学传感（B-DAS）方法，将Ф-OTDR与马赫-曾德尔干涉仪（MZI）相结合。光源同时向传感光纤发射调制脉冲光和连续波。通过解调MZI提取振动频率信息，而通过Ф-OTDR的相位解调确定扰动位置。这种集成架构使用单一激光器和光纤实现了振动频率和位置的无死区检测。实验结果表明，与传统Ф-OTDR系统相比，振动频率响应范围提高了20倍。该系统还实现了准确的多点扰动检测，定位精度可达3.2米。所提出的系统具有简化的架构，使用单根传感光纤同时进行振动频率和位置检测，Ф-OTDR和MZI的操作独立进行。此外，研究还探讨了激光相位噪声和监测长度对系统性能的影响，并证明通过微调B-DAS参数可以优化系统性能。

引言

分布式光纤传感器是先进的工具，能够实现连续监测，具有检测范围广、灵敏度高、易于部署和抗电磁干扰能力强等优点[1]、[2]。这些传感器已在许多领域得到广泛应用，包括油气管道监测[3]、[4]、 perimeter安全[5]、[6]、结构健康监测[7]、[8]、[9]以及地球物理勘探[10]、[11]，取得了显著的实用成果。特别是基于相位敏感光时域反射仪（Φ-OTDR）的分布式声学传感器（DAS），由于其出色的多点检测能力和高灵敏度而备受关注，成为分布式光纤传感中最有前景的技术之一。然而，DAS的最大可检测振动频率受到泵浦脉冲信号重复率的限制，传感光纤的长度也限制了其频率范围[12]。提高基于Φ-OTDR的DAS的可检测带宽主要通过三个方向进行探索：（i）多频率或多载波激励，以提高有效采样率[13]、[14]、[15]、[16]；（ii）模型驱动重建方法，包括压缩感知、稀疏恢复和微调技术，用于检测高频率甚至超奈奎斯特振动[17]、[18]、[19]、[20]；（iii）混合光学架构，引入辅助干涉路径以克服脉冲重复率和光纤长度的限制[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]。然而，这些策略都伴随着显著的权衡。多载波方案需要高速采集和并行处理；模型驱动方法依赖于稀疏性或窄带假设，在宽带随机激励下可能失效；混合设计通常需要额外的光学电路，增加了系统的复杂性和成本。

干涉式光纤传感器是第三类中最具代表性的分支，能够提供高达数百kHz甚至MHz的宽带响应。然而，它们的连续波检测方式从根本上限制了空间分辨率——通常只有几十米——即使在多干涉仪配置（如马赫-曾德尔[28]、萨格纳克[29]和迈克尔逊[30]、[31]方案中也是如此。因此，仅依靠干涉技术无法同时实现宽带和米级定位。这些互补的优势和局限性激发了对混合Φ-OTDR-干涉系统的兴趣，旨在结合干涉技术的宽带特性和分布式声学传感的高空间分辨率。

为了扩展DAS系统的频率响应范围，何强等人[21]采用了脉冲调制技术将Φ-OTDR和MZI集成在一起。随后，使用了时分复用脉冲调制方案[22]，实现了高达6.3 MHz的频率。然而，MZI和Φ-OTDR测量的时间分离限制了系统的频率范围。张勇等人[23]提出了一种集成单端MZI和Φ-OTDR的混合振动传感系统。通过使用声光调制器（AOM）和光纤环行器（CIR）在传感光纤的末端创建一个频率移位镜，该系统实现了MZI传感光的反向传播。何浩等人[24]采用频分复用（FDM）将Φ-OTDR和MZI集成在一起，在3公里的传感光纤上实现了10米的空间分辨率，振动频率检测能力达到40 kHz。赵志等人[25]提出了一种基于多芯光纤的混合传感器，集成了空间分复用Φ-OTDR和MZI。该系统展示了宽频率响应（12 kHz），并在2.42公里的传感光纤上实现了1米的空间分辨率。2020年，马鹏等人[26]提出了一种集成波长分复用MZI和Φ-OTDR的振动传感系统。该系统实现了最大10 MHz的可测量频率，并通过使用3x3耦合器的相位解调方法扩展了可检测动态范围。随后，将基于反馈环的干涉仪与Φ-OTDR结合[27]，实现了使用波长分复用通过单根光纤获取振动频率和位置信息，实现了单端检测。然而，上述研究要么增加了系统的复杂性，要么将有效检测长度限制为总光纤长度的一半。因此，探索优化光纤资源使用的方法以在DAS系统中实现宽频率响应至关重要。此外，简化系统结构以降低成本对于扩展DAS的实际工程应用也至关重要（表1）。

本研究提出了一种宽带分布式声学传感（B-DAS）系统，该系统将Φ-OTDR与MZI结构集成在一起。通过使用FDM方案，单个激光器同时通过同一根传感光纤传输用于Φ-OTDR的瑞利后向散射（RBS）信号和用于MZI的反射光。这种配置不仅简化了系统，还减少了性能波动（由用于单独传输的不同光纤芯或电缆引起），最小化了光纤使用量，并实现了单端操作。此外，FDM方案确保在整个可检测频率范围内实现连续、无死区的监测。实验结果表明，在6公里的检测范围内，系统实现了3.2米的空间分辨率和高达160 kHz的频率响应（受振动源限制）。在51公里长的传感光纤的远端，功率谱密度（PSD）测量和振动频率检测的信噪比分别达到12.8 dB和22.7 dB。与现有系统相比，所提出的B-DAS系统使用单根光纤同时检测振动的频率和位置，提供了更简洁且成本效益更高的解决方案。此外，单端检测技术的实现进一步增强了系统的实用性。

实验设置

实验装置

图1(a)展示了集成Φ-OTDR和MZI的B-DAS系统。通过应用图1(b)中所示的集成信号处理流程图来获取振动频率和位置信息。窄线宽激光（NLL）光源通过光纤耦合器（OC₁）耦合，其中90%的光注入AOM（即AOM₁）以生成探测脉冲。剩余的10%的光被引导到AOM₂以产生本地振荡器（LO）。需要注意的是

单次振动的结果

为了评估所提出的B-DAS系统在单次扰动事件下的性能，使用了图1(a)中所示的实验装置。脉冲重复率和脉冲宽度分别设置为16.4 kHz和32 ns，这对应于AOM的最小脉冲宽度设置。此外，AOM₁和AOM₂的频率偏移分别设置为80 MHz和100 MHz，DAQ系统的采样率设置为250 MSa/s。连接到PZT的光纤长度为

讨论

首先，我们分析了激光噪声对B-DAS系统传感性能的影响，如图5(a)–(d)所示。图5(a)展示了三种不同线宽激光的相位噪声曲线：激光I（标称线宽<100 Hz）、激光II（标称线宽<1 kHz）和激光III（标称线宽<100 kHz）。使用OE4000（OEwaves）相位噪声测试仪测量了三种激光的相位噪声水平。在1 kHz时，其值分别为?36.9 dBc/Hz、?17.6 dBc/Hz和

结论

总之，本研究提出并实验验证了一种基于混合Φ-OTDR和MZI的DAS系统。通过将两种传感器集成到共享的光源和光纤中，该系统实现了同时检测。所提出的B-DAS系统实现了高达160 kHz的振动检测频率范围和6公里FUT上的3.2米空间分辨率。系统在信号定位时的信噪比为15.2 dB，在振动频率PSD时的信噪比为56.9 dB，同时

CRediT作者贡献声明

谢朗：撰写——原始草案，可视化，资源管理，概念化。邱聚祥：撰写——原始草案，可视化，资源管理。王和超：可视化，资源管理。徐景才：可视化，资源管理。侯培东：撰写——原始草案，可视化，资源管理。吴宇：撰写——审阅与编辑，可视化，验证，监督，资源管理，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。