01 导读
近年来，相敏光学时域反射技术(Φ-OTDR)被广泛应用于分布式振动传感领域，可以准确定位振动位置，并基于光相位解调方法定量还原振动波形。而新兴的应用领域，包括地震和水声检测，对Φ-OTDR在低频段（0.1-10 Hz）的解调性能提出了更高的要求。
近期，南方科技大学光电智感实验室在Optics Express期刊上发表了题为“Quantitative demodulation of distributed low-frequency vibration based on phase-shifted dual-pulse phase-sensitive OTDR with direct detection”的报道，设计了一种基于相移双脉冲探测的 Φ-OTDR 系统，使用直接探测的方式实现了低频振动波形的定量解调，并提出了基于声光调制器同时进行脉冲强度及相位调制的方法，降低了系统的硬件复杂度。
在实验中，该文章以10 m的空间分辨率和35 dB的信噪比成功地恢复了频率低至0.5 Hz的振动。该方法以简单的光路结构、高效的解调算法，实现了振动波形的定量重构目标，存在较好的应用前景。南科大邵理阳教授为该论文第一通讯作者，南科大-澳门大学联合培养博士生刘帅旗为第一作者，沈平讲席教授&澳门大学韦孟宇副教授为作者。
封面图：基于相移双脉冲的Φ-OTDR系统
图源: Optics Express (2022)
https://doi.org/10.1364/OE.453060 (Fig. 4)
02 研究背景
Φ-OTDR系统中，通过解调背向瑞利散射信号的相位信息，可以实现对振动事件波形的定量还原。目前主要的相位解调方法，包括引入本振光的外差/零差相干检测方法，以及不需要本振光的背向瑞利散射自相干检测方法。其中，前者由于本地振荡光的存在，信号强度大，且解调算法简单，但本振光和传感光纤远端返回的散射信号之间存在较大的时延，导致较严重的激光源相位噪声干扰，影响Φ-OTDR对低频振动的传感性能。而对于后者，主要实现方案有基于双脉冲探测的Φ-OTDR系统，以及在接收端结合非平衡干涉仪的瑞利散射自相干检测方案。
在这两种方案中，干涉光之间的光程差是固定的（由双脉冲之间时间间隔，或非平衡干涉仪两臂之光程差决定），且远小于基于本振光的相干检测系统，因此可以将激光源噪声的影响大幅降低。但目前报道中，瑞利散射自相干信号的相位解调方法相对比较复杂，如phase-generated carrier, differential and cross multiply等方案。
03 创新研究
基于声光调制的相移脉冲产生
之前已报道的基于相位分集的Φ-OTDR系统中，探测脉冲的相位调制主要是通过在发射端增加一个额外的相位调制器来实现的，增加了系统的复杂度和成本。本工作提出了使用声光调制器（AOM）同时进行探测脉冲的强度调制和相移调制的方法，不再需要引入额外的硬件。
图1(a)说明了AOM的基本工作原理。通过改变驱动AOM的射频信号的幅度，可以调制入射激光的光强；通过调制射频信号的初始相位，可以实现对入射激光的移相。基于这样的方法，可以使用单个AOM同时实现探测脉冲的产生和相移。使用图1(b)所示的干涉结构验证上述思路。将如图1（c）所示的两组射频双脉冲信号加载到AOM上，这两组双脉冲的初始相位分别为（0,0）和（0,π）；对应的两组激光脉冲拍频信号如图1（d）所示，这两组激光双脉冲的初始相位之差同样分别是0和π，证明了此方法的有效性。
图1 (a)声光调制器工作原理。(b)验证方法可行性的光路。(c)两组射频双脉冲信号波形。(d)相应的两组激光双脉冲拍频信号波形
图源: Optics Express (2022)
https://doi.org/10.1364/OE.453060 (Fig. 3)
基于上述相移双脉冲产生方法，相应的瑞利散射自相干检测信号应表示为：
该解调方法计算过程简单，且对系统随机噪声起到抑制作用，但对系统的动态响应范围存在负面影响，详见论文Discussion部分的讨论。
实验中，采用了5.1 km传感光纤及16 kHz脉冲重复频率，脉冲宽度100 ns，双脉冲的时间间隔100 ns。使用10 MHz带宽的PD进行检测，并以100 MHz的采样速率完成数据采集。在光纤约5 km处，将一段长度为1 m的光纤缠绕在压电陶瓷管上，用于模拟外界振动事件。首先加载了频率为20 Hz的正弦振动信号，相应的差分相位空域-频域解调结果如图2（b）所示，沿传感光纤的差分相位频谱20 Hz分量幅值计算结果如图2（c）所示，显示了系统的振动定位空间分辨率约为10 m，与系统的100 ns双脉冲间隔相呼应。
图2 (a)差分相位解调结果的空域-频域图。(b)差分相位信号频谱的20Hz频率分量沿光纤幅值分布情况。
图源: Optics Express (2022)
https://doi.org/10.1364/OE.453060 (Fig. 5)
图3展示了扰动频率分别为0.5 Hz、1 Hz，5 Hz和20 Hz时的差分相位解调结果及功率谱密度情况，证明了该方法可以较好地定量还原光纤沿线的扰动波形。
图3 频率分别为(a) 0.5 Hz， (b) 1 Hz， (c) 5 Hz和(d) 20 Hz的外部振动的差分相位解调结果。(e)-(h)解调后的微分相位波形对应的功率谱密度(PSD)。
图源: Optics Express (2022)
https://doi.org/10.1364/OE.453060 (Fig. 6)
图4是PZT驱动电压与所解调的差分相位幅值之间的线性拟合结果。四组实验的PZT驱动信号频率分别为0.5 Hz（红），1 Hz（蓝），5 Hz（橙）和20Hz（绿），且电压峰峰值由1伏增加至10伏。四组实验的线性拟合结果R2值为0.9966、0.9987、0.9997和0.9995，且斜率基本保持一致（约为3 rad/V），证明了所提出方法对外界振动的定量解调结果具有较好的线性响应和可重复性。
图4 PZT驱动电压与差分相位幅值之间的线性拟合结果。
图源: Optics Express (2022)
https://doi.org/10.1364/OE.453060 (Fig. 7)
04 应用与展望
本工作提出了一种较为简便的双脉冲Φ-OTDR相位解调方法，由声光调制器直接产生相移双脉冲，节约了硬件成本；利用相移干涉技术提取瑞利散射信号差分相位，进一步降低了系统硬件及算法复杂度。与传统相干探测式Φ-OTDR方案相比，双脉冲方案对激光频率漂移引起的相位噪声不敏感，对低频段的振动传感具有一定优势。因此，本工作在地震测量、地质勘探、水声检测等大规模商业性应用中具有较好的应用前景。
