背景介紹

      近年來，一種新的光纖傳感概念逐漸興起——基于既有光纖網(wǎng)絡(luò)的信息感知。它將密布于地球表面的光纖網(wǎng)絡(luò)視作地球的神經(jīng)系統(tǒng)，在其通信本征功能之外，發(fā)展附加感知能力，從而將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化為一個(gè)密集的傳感陣列。這一技術(shù)在基礎(chǔ)設(shè)施健康監(jiān)測、人類活動(dòng)以及地質(zhì)觀測等領(lǐng)域展示出了巨大的應(yīng)用潛力。

利用光纖干涉儀進(jìn)行相位變化測量的方法早在1976年就被提出，但是直到今天，這種方法的分布式感知問題一直無法解決，因此一般僅被應(yīng)用于陀螺儀、光纖麥克風(fēng)等點(diǎn)式傳感器中。自2018年開始，一系列高水平論文演示了基于光纖干涉儀的信息感知方法及其在長距離既有光纜上的應(yīng)用，引起了廣泛關(guān)注。該方法探測距離長、頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大，能夠與通信光纜網(wǎng)絡(luò)融合。

      清華大學(xué)王波副教授研究團(tuán)隊(duì)針對光纖干涉儀的多振動(dòng)事件定位問題，提出了一種鏡像相關(guān)方法。其原理是信號(hào)光在光纖鏈路中往返傳輸時(shí)兩次感受同一振動(dòng)，這兩次振動(dòng)信號(hào)間的時(shí)間延遲（時(shí)延）已經(jīng)蘊(yùn)含了位置信息。對不同的時(shí)延進(jìn)行掃描時(shí)，若掃描時(shí)延與真實(shí)待測時(shí)延不一致，就會(huì)產(chǎn)生特定頻率的誤差標(biāo)記。人偶A、B代表兩次振動(dòng)信號(hào)，通過鏡像和時(shí)延操作，可以實(shí)現(xiàn)B和1A之間的消除，只有當(dāng)所用時(shí)延與真實(shí)待測時(shí)延相同時(shí)，兩者才能消除，否則就會(huì)保留具有特定頻率的誤差標(biāo)記信號(hào)。通過測量特定頻率誤差標(biāo)記信號(hào)的功率，即可實(shí)現(xiàn)振動(dòng)事件的精確定位。研究成果為基于長距離光纜的人類活動(dòng)及海洋、地質(zhì)活動(dòng)監(jiān)測提供了新的發(fā)展動(dòng)力，并以“Fiber-based distributed sensing laser interferometer enabled by the mirror-image correlation method"為題，發(fā)表在Advanced Photonics Nexus 2024年第6期。

研究內(nèi)容

1.長距離鏈路多振動(dòng)事件定位

      光纜作為最大的基礎(chǔ)設(shè)施之一，確保其面對外界入侵及擾動(dòng)事件時(shí)的安全性至關(guān)重要，光纖傳感技術(shù)為這一問題提供了良好的解決方案。研究人員對往返250 km的光纖鏈路施加敲擊，并利用鏡像相關(guān)方法進(jìn)行振動(dòng)事件定位。對鏈路某一個(gè)點(diǎn)A進(jìn)行連續(xù)敲擊時(shí)，可以在監(jiān)測信號(hào)中觀察到明顯的多次敲擊事件，并通過鏡像相關(guān)方法精確獲取敲擊事件的作用位置。若對鏈路上不同位置的3個(gè)點(diǎn)A、B和C同時(shí)進(jìn)行敲擊，在這種多個(gè)振動(dòng)事件互相重疊的情況下，從監(jiān)測信號(hào)中很難進(jìn)行有效識(shí)別。而使用鏡像相關(guān)方法后，得到的時(shí)空瀑布圖顯示了三個(gè)位置敲擊事件的具體作用情況。該方法解決了光纖干涉儀的分布式振動(dòng)感知難題。

2.城市交通振動(dòng)監(jiān)測

      對往返164 km商用通信光纜的監(jiān)測展示了這一技術(shù)在城市信息獲取中的應(yīng)用潛力。在一條貫穿清華大學(xué)校園、奧體中心、公園綠地和教育園區(qū)的埋地光纜沿線顯示出了多個(gè)異常強(qiáng)烈的交通振動(dòng)作用點(diǎn)，如圖4所示。其中之一是在清華大學(xué)校園內(nèi)，由車輛經(jīng)過光纜上方的減速帶產(chǎn)生，兩輛車前后車輪產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)與定位時(shí)空瀑布圖呈現(xiàn)了事件和位置的一一對應(yīng)。另一個(gè)則發(fā)生在北京市惠新西街，地下人行通道上方的交通振動(dòng)被清晰感知。當(dāng)其作用時(shí)，兩個(gè)不同位置的振動(dòng)信號(hào)相互疊加，無法區(qū)分，以20 ms的時(shí)間窗長和步進(jìn)對信號(hào)進(jìn)行分段定位，形成的定位時(shí)空瀑布圖顯示了兩個(gè)位置的交通振動(dòng)情況。

總結(jié)與展望

      這項(xiàng)研究提出并演示了一種基于鏡像相關(guān)方法的分布式振動(dòng)感知，解決了光纖干涉儀的多振動(dòng)事件感知定位難題，為利用既有光網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息感知提供了新的思路。利用這種方法，研究人員分別進(jìn)行了多點(diǎn)位敲擊振動(dòng)和城市交通振動(dòng)的監(jiān)測、定位和分析。這項(xiàng)工作推進(jìn)了海陸光纖通信網(wǎng)絡(luò)的傳感賦能，為未來基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測、智慧城市建設(shè)以及海洋、地質(zhì)活動(dòng)分析等多種監(jiān)測場景提供了信息獲取的手段。