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研究背景
自2005年首个基于相位敏感光时域反射技术（Ф-OTDR）的光纤分布式振动传感（DVS）系统问世以来，Ф-OTDR得到了快速的发展和广泛的应用，并进一步产生了具有定量分析声波振幅能力的分布式声波传感（DAS）技术。在此基础上，研究者们对提升Ф-OTDR系统传感性能的技术进行了大量的研究，包括传感距离、空间分辨率、频率响应范围、事件识别准确率等关键技术指标。基于其优越的长距离、高分辨率分布式振动/声波传感能力，Ф-OTDR技术近年来得到了广泛的工程应用。在地震监测、油气资源勘探、管道泄漏检测、周界入侵报警、电缆局部放电报警等领域，均有较成功的应用示范。
未来，在攻克新型传感光缆、创新传感机制、高效数据解调算法、精准振动事件识别等关键技术的基础上，基于Ф-OTDR的光纤分布式声波传感技术将进一步发挥其应用潜力，有望在形状传感、地质勘探等领域取得新的突破。
创新研究
01.Ф-OTDR的原理及方案
综述分析了基于瑞利背向散射光强度解调的DVS-Ф-OTDR，及基于相位解调的DAS-Ф-OTDR系统传感原理。
重点对比讨论了外差探测IQ解调、外差探测希特波特变换方案、基于3x3耦合器的直接探测方法以及基于相位生成载波技术的直接探测方法等DAS相位解调技术。
图源：Opto-Electron Adv 5, 200078 (2022)
https://doi.org/10.29026/oea.2022.200078 (Fig. 2)
02.Ф-OTDR系统的关键传感参数
Ф-OTDR可以实现振动、动应变等的分布式测量，通常可以通过几个技术参数来评价，主要包括传感距离、信噪比、频率响应范围、空间分辨率和事件分辨能力。综述详细总结分析了近年来提升不同参数研究的最新进展。
信噪比是决定OTDR性能的关键参数。它不仅决定了传感器的传感距离，还决定了传感器的灵敏度和精度。一方面可以放大探头的光功率和补偿传输损耗，通过增大信号强度来提高信噪比。另一方面，也可以通过抑制噪声来提高信噪比。
Φ-OTDR系统的空间分辨率是指能够区分的不同事件之间的最短距离。它反映了遥感系统的空间识别和定位能力。空间分辨率与探头脉宽、光电探测器的采样率、采集卡等有关。
为了解决传统的Φ-OTDR系统可以定位外部干扰，但无法区分不同类型的入侵事件的问题，近年来Φ-OTDR信号后处理的模式识别算法得到了广泛的研究。模式识别算法可以根据振动信号的信号特征，将检测到的振动信号自动分类为感兴趣的入侵和不希望的环境噪声，从而大大提高了系统的报警准确率，降低了系统的误报率。
03.Ф-OTDR应用
通过适当的光学配置，Φ-OTDR能够在高空间分辨率(~m)下长距离(~km)测量振动、应变或温度分布。这种能力使得Φ-OTDR在不同的场景下有着广泛的应用。该综述回顾总结了Φ-OTDR在不同应用领域的最新进展，包括地质勘探、周界监测、交通传感器、部分流量监测和其他新颖的应用。一些案例将传统Φ-OTDR应用于新的应用场景，如检测害虫感染，而其他案例则引入特殊纤维或先进的后处理算法，将目标物理参数的测量转化为振动检测，沿传感光纤的应变或温度变化，如气体浓度水平和光纤弯曲方向。这些新颖的应用程序已经证明Φ-OTDR系统是一个很有前途的工具，适用于各种具有巨大潜力的场景。
展望
未来的研究可以集中在改进Φ-OTDR的操作原理、改进数据解释方法和扩展它的应用领域。在工作原理上，开发uwFBG阵列、少模光纤、散射增强光纤或多芯光纤等特殊光纤，可能会进一步提升Φ-OTDR的性能。在数据解释方法方面可以参考人工智能和计算机科学中先进的信号处理方法。在实际工程应用中，有必要验证与实验条件有很大差异的解释方法。此外，Φ-OTDR还将被应用于确定地下人员或空中飞机的位置、测量物体的变形等更多的领域。
