背景介紹

      近年來(lái)，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(cè)、人類活動(dòng)以及地質(zhì)觀測(cè)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(cè)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(wèn)題一直無(wú)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(kāi)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(zhǎng)距離既有光纜上的應(yīng)用，引起了廣泛關(guān)注。該方法探測(cè)距離長(zhǎng)、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(duì)光纖干涉儀的多振動(dòng)事件定位問(wèn)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(duì)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(cè)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(guò)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(cè)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(guò)測(cè)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(zhǎng)距離光纜的人類活動(dòng)及海洋、地質(zhì)活動(dòng)監(jiān)測(cè)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?jī)?nèi)容

1.長(zhǎng)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(duì)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(wèn)題提供了良好的解決方案。研究人員對(duì)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(duì)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(cè)信號(hào)中觀察到明顯的多次敲擊事件，并通過(guò)鏡像相關(guān)方法精確獲取敲擊事件的作用位置。若對(duì)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(cè)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(cè)

      對(duì)往返164 km商用通信光纜的監(jiān)測(cè)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(guò)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(duì)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(wú)法區(qū)分，以20 ms的時(shí)間窗長(zhǎng)和步進(jìn)對(duì)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(cè)、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(lái)基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)、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(cè)場(chǎng)景提供了信息獲取的手段。