基于幅度解调φ-OTDR的双k值分布式振动传感方法

《Optics & Laser Technology》：A dual-k method for distributed vibration sensing by amplitude-demodulated φ-OTDR

　　

# 摘要

累积分差法（ADM）已被广泛应用于基于振幅调制的相干光时域反射仪（φ-OTDR）的分布式振动传感系统中。ADM对振动频率高度敏感，因而对差分间隔k和瑞利散射轨迹数I也有较大依赖性。k和I的不当选择会增加漏检外部扰动的可能性。基于对微弱扰动的近似线性输出响应，本文提出了一种双k方法（即k?和k?）用于振动检测。通过约束两个经过恰当选择的k值的比值满足特定准则，可以显著降低ADM输出对应于k?和k?时同时落入不可检测区域的概率。实验表明，双k方法能够可靠地检测正弦压电陶瓷（PZT）振动，并准确定位来自扬声器的复杂多谐波扰动。此外，所提出的方法也能实现铅笔断裂瞬态事件的鲁棒检测。

# 引言

相干光时域反射仪（φ-OTDR）基于高相干性探测脉冲的后向散射瑞利光，能够以高灵敏度检测数十公里传感光纤上的微弱振动事件。因此，φ-OTDR在结构健康监测、交通监测、入侵检测和管道监控等许多潜在应用中引起了越来越多的关注。已知φ-OTDR的性能高度依赖于具有随机反射振幅和相位分布的后向散射光的干涉信号。这使得φ-OTDR容易出现信号衰落，导致瑞利后向散射轨迹（RBS）随时间和位置随机波动。信号衰落包括偏振衰落和干涉衰落，两者都会增加振动检测的虚警概率。为解决衰落问题，已提出多种方法来精确提取振动信号。具体而言，偏振衰落可以通过偏振分集方案和相认多输入多输出（MIMO）技术很好地解决。为减轻干涉衰落，已提出脉冲编码技术、频分复用（包括脉冲内频分）以及空分复用等技术。

对于振动传感应用，以低虚警概率实现可靠的检测和定位是基本要求。在φ-OTDR中，振动可以通过相位移调或幅度调制来识别。相位移调通过测量瑞利后向散射光的光相位来获取扰动信息，通常依赖于相邻空间点之间的差分操作。由于相移与外部扰动呈线性变化，该方法能够实现精确的波形恢复，便于对振动事件进行定量测量和模式识别。相比之下，幅度调制通过追踪连续瑞利后向散射轨迹之间的强度变化来检测振动。该方法因其简单性和易于实现而受到青睐。值得注意的是，尽管瑞利后向散射强度对振动扰动呈非线性依赖关系，但幅度调制方案在许多实际应用中仍然有效。至关重要的是，与相位调制不同，幅度调制避免了复杂的相位解卷绕过程。得益于较低的计算复杂度和较快的处理速度，幅度调制可以作为快速预定位工具，在实际部署中确定扰动位置。确定目标位置后，可以在这些特定位置应用相位调制技术（例如不平衡干涉仪或正交检测）来提取振动波形。因此，这种预定位过程有助于加速整体检测流程。

本工作聚焦于幅度调制相认光时域反射仪（AD-φ-OTDR）。在AD-φ-OTDR中，差分法常用于振动定位，即获取一定数量的连续瑞利后向散射轨迹，并将间隔为k步的轨迹对相减以生成差分轨迹。进一步累加幅度差异（即ADM）以提升信噪比（SNR）。例如，文献[23]通过在瑞利后向散射轨迹上执行微分和累加操作演示了高速振动监测。通过将φ-OTDR与光干涉仪集成在统一的传感结构中，文献[24]和[25]在通过干涉实现改进的振动频率估计的同时，利用幅度差分完成了扰动定位。基于ADM，秦等人提出了一种多路径信息融合算法（MIFA）以提高检测可靠性，该算法依赖于两个独立通道在同一位置同时漏检振动的低概率。尽管ADM能有效揭示振动引起的峰值，但实验表明其性能对差分步长k有强烈依赖。k的不当选择可能增加漏检率。然而，迄今为止，很少有研究系统地检验ADM中涉及的关键参数。例如，每个检测周期应获取多少瑞利后向散射轨迹，或者如何选择k以最小化漏检风险，均未得到系统研究。

本工作提出了一种用于振动定位的双k方法。与传统的ADM中差分步长k凭经验选择且缺乏严格准则不同，我们首次系统地揭示了AD-φ-OTDR中ADM对k的强频率依赖性及其潜在机制。其核心思想是对两个预选k值的比值施加特定约束，确保至少有一个能产生高于检测阈值的信噪比。该比值来源于瑞利后向散射轨迹对微弱外部扰动的近似线性依赖关系。该方法经过实验验证，并随后通过逐步增加施加在压电换能器上的电压扩展到较大振幅的振动。我们还将双k方案应用于检测铅笔断裂事件。实验结果表明，AD-φ-OTDR能够可靠地检测振动信号，与理论预测相符。

## 实验装置

实验系统如图1所示。为展示双k方法在提高定位性能方面的能力，我们采用了常规的φ-OTDR配置，而非其他专门定制的方案。关键是，后续章节中详述的方法与具体方案无关，可应用于多种配置。激光源发射波长为1550.15 nm、线宽为3 kHz的连续光。激光被分为两部分。

## 基于幅度差分法的振动定位

AD-φ-OTDR通过利用相认瑞利后向散射来检测扰动。外部扰动引入的相移会改变干涉图案，进而产生强度波动。对这种幅度变化进行解调可提取动态应变或振动的位置。通常，φ-OTDR中的瑞利后向散射轨迹对外部扰动呈非线性响应。对于微弱扰动，许多工作已通过实验证实了时域中……

## 双k方法

从上述讨论可知，基于ADM的振动定位与I?高度相关，而I?由振动频率f?决定。当预存储大量振动样本时，所提出的方法可以在信号分类和模式识别之前快速定位振动。然而，在大多数实际场景中，振动特征通常未知。因此，必须首先通过多次试验来评估参数k和I，以降低漏检风险……

## 实验结果

以下在实验室进行了AD-φ-OTDR的三项实验。第一项实验旨在通过检测两种不同波形来验证所提出的双k方法。第二项实验展示了同时空间定位两个不同频率的独立振动。在第三项测试中，该方法被应用于检测铅笔断裂事件。

## 结论

总体而言，基于AD-φ-OTDR的分布式振动传感表现出明显的频率相关检测性能。解调参数选择不当可能导致漏检。本工作对AD-φ-OTDR中使用的差分算法进行了系统研究，旨在实现频率依赖性减弱且漏检概率降低的振动定位。为确保稳定的振动识别，提出了一种双k方案……

## CRediT作者贡献声明

Cong Chen：写作—审阅与编辑，写作—初稿撰写，验证，方法论，数据整理。Weifang Yang：写作—审阅与编辑，验证，调查研究。Tao Ju：资金获取，数据整理。Yaoli Yue：验证，资金获取。Yuting Zhang：形式分析，数据整理。Hao Du：形式分析，数据整理。Song Yang：资金获取，数据整理。Zujun Qin：写作—审阅与编辑，监督，方法论，资金获取。Wentao Zhang：资金获取。

## 资助

国家自然科学基金（批准号62465007），广西重点研发计划项目（AB24010323, AB25069261），广西科技成果转化计划（ZG2600640030），广西自然科学基金（2025GXNSFBA069395），以及广西研究生教育创新项目（批准号YCBZ2023133）。

## 利益冲突声明

作者声明他们没有已知可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

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