基于使用皮尔逊相关系数的光频域反射技术（OFDR）的单端大于100公里的分布式振动传感器

前言

在光纤传感领域，分布式光纤振动传感器（DOFVS）是实现光纤集成传感与通信（ISAC-OF）的关键技术，可广泛应用于城市结构健康监测、海洋地震探测以及管道、电缆、周界安全监测。近些年的研究重点聚焦于超过100公里的长距离DOFVS，但是现有技术如基于正向干涉仪或基于背向散射的方法均存在一定的局限性。本文提出了一种基于光频域反射仪（OFDR）和皮尔逊相关系数（Pearson-CC）的单端超100公里的分布式振动传感器技术，为长距离振动监测提供了新方案。

技术原理

该技术核心原理基于OFDR的基本理论。在OFDR系统中，本地振荡器参考光与包含瑞利背向散射和菲涅尔反射的信号光干涉形成拍频信号，通过对参考信号和测试信号进行处理，在光频域计算Pearson-CC来评估瑞利背向散射谱的变化。当有振动事件发生时，振动会引起瑞利背向散射谱改变，进而导致Pearson-CC下降，且下降幅度与振动幅度相关。为精准定位振动事件，采用修剪精确线性时间（PELT）算法，基于动态规划原理对Pearson-CC序列进行最优分割，有效识别出序列中的变化点，即振动事件的位置。

图 1.解调振动事件的算法处理流程图

图 2.用于变化点检测的PELT算法处理流程图

实验结果

在实验环节，搭建了内部调制OFDR系统。该系统以中心波长1550nm、线宽小于1kHz、光功率约8mW的硅基光子芯片激光器为光源，通过任意波形发生器（AWG）控制实现可调谐激光源（TLS）。实验中，在100.9km的单模光纤（FUT）上设置两个压电换能器（PZTs）模拟振动事件。对不同电压激励下的PZT1进行测试，结果显示，通过检测Pearson-CC的阶跃变化和计算差分Pearson-CC，能准确地定位振动事件并获得与振动幅度呈良好线性关系的结果，R²达到0.9993。同时，成功实现了对100km光纤上两个同时发生的振动事件的定位，验证了该技术在多振动事件监测方面的能力。此外，实验得出该传感器的应变分辨率为868pε，空间分辨率为15.3m。与以往基于互相关相似性分析（CCSA）的方法相比，本文所提方法优势显著。CCSA方法难以证明非相似性与振动应变的线性关系，且在低振幅振动检测和长距离应用中表现欠佳。而基于Pearson-CC的方法应变分辨率更高，线性度更好，能有效检测出2.608nε的微弱振动，而CCSA方法无法做到。

图3.OFDR 系统框架图

图4 振动事件定位结果图

总结

总体而言，这项基于OFDR和Pearson-CC的分布式振动传感技术，为长距离、高分辨率的光纤振动监测提供了一种简单且有效的方案，在现有光纤通信网络的分布式监测中极具应用潜力，有望推动海洋地震探测、管道安全监测等领域的技术发展。

审核编辑 黄宇