本文由Qing Bai、Qinglin Wang、Dong Wang、Yu Wang、Yan Gao、Hongjuan Zhang、Mingjiang Zhang和Baoquan Jin*共同撰写，作者来自太原理工大学先进传感器与智能控制系统教育部和山西省重点实验室、太原理工大学物理与光电工程学院以及山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司煤与煤层气共采国家重点实验室。该综述论文于2019年4月18日发表在期刊《Sensors》上，文章标题为”Recent Advances in Brillouin Optical Time Domain Reflectometry”。
布里渊散射分布式光纤传感技术在过去二十年中已发展成为温度和应变测量的新兴技术。其中，布里渊光时域反射仪（Brillouin Optical Time Domain Reflectometer, BOTDR）因其单端接入、系统架构简单、易于实现和广泛应用等独特优势，吸引了越来越多的研究关注。BOTDR主要通过向光纤中注入光脉冲并检测与环境温度和传感光纤轴向应变线性相关的布里渊频移（Brillouin Frequency Shift, BFS）来实现传感功能。
本文综述了过去十年间BOTDR在性能改进和应用方面的最新进展。首先总结了在空间分辨率、信噪比和测量精度、测量速度、交叉敏感性等方面提高BOTDR性能的最新进展；其次介绍了特殊光纤（包括塑料光纤、光子晶体光纤、少模光纤等）为光纤传感器带来的新特性；然后概述了BOTDR在结构健康监测和大范围基础设施的地质灾害预警等工业领域和智能感知中的应用场景；最后讨论了BOTDR未来发展面临的挑战和前景。
空间分辨率（Spatial Resolution, SR）是传感器的重要指标，高空间分辨率确保了精细空间测量的能力。在布里渊传感器中，当温度或应变变化发生在比空间分辨率更短的光纤长度上时，检测到的BFS值将与实际值发生偏差。对于布里渊分析技术，已经实现了厘米级甚至毫米级的空间分辨率，而BOTDR实现亚米级空间分辨率相对困难。
研究人员提出了多种提高BOTDR空间分辨率的方法，包括： 1. 双脉冲BOTDR（DP-BOTDR）：Koyamada等人在2007年实现了DP-BOTDR，通过向传感光纤注入两个脉冲宽度为2ns、前后脉冲时间间隔为5ns的探测脉冲，实现了20cm的亚米级空间分辨率，比传统单脉冲BOTDR系统提高了五倍。 2. 合成BOTDR（S-BOTDR）：Nishiguchi等人在2014年提出S-BOTDR，其基本原理是在时域和频域同时构建二维δ函数，同时提高空间和频率分辨率。实验结果表明，在40米光纤上实现了10cm的空间分辨率。 3. 相移脉冲BOTDR（PSP-BOTDR）：Shibata等人在2016年提出PSP-BOTDR，其探测脉冲由相移键控调制的长脉冲和短脉冲组成。基于后向散射布里渊信号的互相关分析实现高空间分辨率，在354.4米的测试光纤上实现了0.2m的空间分辨率和1.08MHz的频率精度。 4. 差分脉冲对技术：2016年，研究人员采用脉冲宽度略有差异的脉冲对作为探测光实现高空间分辨率BOTDR，同时采用两步差分布里渊谱技术确保亚米级空间分辨率。2018年，Yu等人基于差分脉冲对技术实现了3km传感光纤上0.2m的空间分辨率，并进一步讨论了不同脉冲宽度差异和上升/下降时间对BOTDR空间分辨率的影响。
此外，在信号处理方法方面，Wang等人在2013年提出了一种迭代细分方法来提高BOTDR的空间分辨率，通过将传感光纤划分为亚空间分辨率长度的等长段，考虑探测脉冲宽度和系统响应时间的影响，实现了1km传感光纤上0.1m的空间分辨率（探测脉冲为10ns）和50km传感光纤上1.5m的空间分辨率（探测脉冲为100ns）。Zhang等人在2017年提出了脉冲细分叠加（Pulse Subdivision Superposition, PSS）方法，通过简单高速采集信号并减去相邻数据点的子BGS，实现了0.1m的空间分辨率（探测脉冲为10ns）。
BOTDR由于仅探测低强度的自发布里渊散射（Spontaneous Brillouin Scattering, SpBS），在原理上固有地遭受相对较低的信噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR）。高SNR意味着BOTDR的高测量精度和大测量范围。在提高SNR和测量精度方面，许多改进方案被提出，包括基于硬件优化（如种子激光器性能、探测脉冲特性和光路结构）的方案，以及各种解调算法。
在种子激光器性能优化方面： 1. 激光线宽影响：Hao等人在2013年研究了不同激光线宽对BOTDR传感系统的影响，结果表明当线宽超过1MHz时，测量的BGS会严重展宽，SNR会降低，但当激光线宽小于1MHz时，展宽效应不明显。Bai等人进一步数值模拟并实验验证了激光线宽小于1MHz时对SNR和BFS测量精度的影响，实验结果表明BFS精度随着激光线宽变窄而提高，但当激光线宽减小到一定值（报告中为98Hz）时，BFS精度会恶化，这可能是由于与变窄线宽密切相关的相干瑞利噪声（Coherent Rayleigh Noise, CRN）增加所致。 2. 波长分集技术（Wavelength Diversity Technique, WDT）：Li等人在2012年进行了基于多波长相干检测的BOTDR实验，通过注入不同波长的探测脉冲光并检测由每个探测波长产生的重叠多个BGS，使用三个探测波长的BOTDR获得了4.2dB的SNR改善（SNR Improvement, SNRI），与传统单波长BOTDR相比，在23.6km光纤末端测量精度提高了一倍。Lalam等人在2017年详细分析了WDT在BOTDR中的原理，并实验验证了其对BOTDR SNR的增强效果，其中三波长分集技术提供了高达3.92dB的SNR增强。
在探测脉冲特性改进方面： 1. 脉冲形状优化：Hao等人在2013年通过改变调制脉冲格式（包括矩形、三角形、梯形、洛伦兹形、高斯形和双曲正割形）研究了不同调制脉冲形状对自发布里渊散射光谱轮廓和BOTDR传感系统SNR的影响。实验结果表明，对于梯形脉冲和三角形脉冲，布里渊功率谱的SNR相对于相同脉冲宽度（200ns）的矩形脉冲分别提高了3dB和4.8dB，洛伦兹脉冲提供了最高的测量精度和最长的传感范围。 2. 消光比（Extinction Ratio, ER）提高：Lu等人在2013年理论证明并实验验证了探测脉冲ER与BOTDR SNR之间的正相关关系，他们构建了两个级联的电光调制器（Electro-Optic Modulator, EOM）将探测脉冲ER从25dB提高到50dB。实验结果表明，在23.9km光纤末端，BOTDR的SNR提高了约8dB，BFS测量不确定度相应地从6.16MHz降低到2.09MHz。Zhang等人在2014年进一步提出了一种结合EOM和同步光开关（Optical Switch, OS）的新型脉冲调制方案，将ER从35dB提高到65dB，在48.5km传感光纤末端，测量的BFS最大不确定度从5.2MHz降低到0.8MHz（空间分辨率为25m）。 3. 脉冲编码技术：脉冲编码逐渐成为提高BOTDR SNR的有效技术，因为它可以增加入射信号的能量，同时不会造成空间分辨率失真。编码方案主要包括两大类：线性组合码和相关码。Soto等人在2008年提出了一种基于Landau-Placzek比（Landau-Placzek Ratio, LPR）方案的单纯形编码布里渊分布式温度传感器，探测脉冲由127位单纯形码组成，在21km传感光纤上（空间分辨率为40m）提供了7dB的SNRI。Li等人在2012年模拟了使用128位Golay互补序列作为探测脉冲的外差检测BOTDR传感系统，证明了编码增益带来的SNRI。
在光路优化方面： 1. 慢光马赫-曾德尔干涉仪（Slow-Light Mach-Zehnder Interferometer, MZI）：Zhao等人在2013年将光纤光栅（Fiber Grating, FG）插入MZI的一个臂中构建慢光MZI，通过设计合适的结构参数，FG不仅可以作为慢光发生器增强测量灵敏度，还可以同时作为光学滤波器降低噪声光的功率。实验结果表明，相对输出功率灵敏度和相位灵敏度明显提高了20倍。 2. 基于MZI的偏振噪声抑制：Wang等人在2012年设计了一种基于延迟MZI的无源偏振消偏器，通过使用无源消偏器，偏振噪声降低了96%，在24.5km光纤末端（空间分辨率为3m）获得了1.0°C的温度测量误差。Cao等人利用带有两个光学偏振分束器（Polarization Beam Splitter, PBS）的延迟MZI产生具有垂直偏振的探测脉冲，这种技术被证明可以减轻BOTDR中的偏振衰落，称为正交偏振探测BOTDR（Orthogonal Polarization Probe BOTDR, OPP-BOTDR），基于该技术，在30km光纤上实现了高精度BFS测量。 3. 泵浦光放大器：Wang等人在2014年利用添加的泵浦掺铒光纤放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier, EDFA）延长传感距离，实验结果表明，在80km光纤上使用EDFA获得了0.5°C的温度误差和10m的空间分辨率，而没有泵浦EDFA的有效传感距离仅为50km。Song等人添加了泵浦拉曼放大器（Fiber Raman Amplifier, FRA）在传感光纤前，通过调整探测脉冲功率和拉曼放大器的泵浦功率，实现了100km的传感距离（空间分辨率为10m，温度分辨率为±3°C）。 4. 单光子探测器（Single-Photon Detector, SPD）：Xia等人在2016年利用SPD在BOTDR中增强动态范围（Dynamic Range, DR），由于SPD的高灵敏度，在42.5km传感长度上实现了1.2m的空间分辨率和1.7°C的温度误差。Xia等人还利用上转换单光子探测器（Up-Conversion Single-Photon Detector, UCSPD）和全光纤结构法布里-珀罗扫描干涉仪（Fiber Fabry-Perot Scanning Interferometer, FFP-SI）开发了一种扫描型BOTDR，在9km保偏光纤上获得了1.2°C的温度精度。 5. 自外差检测：Li等人在2017年提出了一种基于瑞利和布里渊散射光之间自外差检测的简单BOTDR，无需本地参考光，在相同测量条件下，自外差BOTDR（Self-Heterodyne BOTDR, SH-BOTDR）观察到的温度最大误差为1.2°C，远优于典型相干外差BOTDR的7.9°C。
在解调算法优化方面： 1. 改进的Levenberg-Marquardt（LM）算法：Zhang等人在2013年提出了一种基于有限元分析的改进LM算法（FEA-LM算法），与传统的LM算法相比，新算法能够在更宽的初始值范围内表现更好。Zhang等人在2016年进一步提出了一种基于粒子群优化（Particle Swarm Optimization, PSO）结合自适应惯性权重和混沌优化的新BGS分析方法（AIW-CPSO算法），仿真分析和实验结果表明，AIW-CPSO获得的拟合结果与实际参数匹配良好，BFS误差减小，拟合度达到0.9956，优于FEA-LM算法。 2. 二次最小二乘拟合：2013年首次通过实验验证应用抛物线拟合来推导BFS。Yu等人在2016年采用蒙特卡洛方法数值证明二阶多项式拟合方法能够提高BFS测量精度。Zheng等人在2018年推导了一个新的公式来估计BFS测量，考虑了拟合点的数据长度和数据范围中心相对于实际频率峰的偏差，基于上述分析，他们提出了一种迭代拟合方法来提高BFS测量精度并增强BOTDR系统的SNR。 3. 二次时频分析（Quadratic Time-Frequency Analysis, QTFA）和自回归（Auto-Regressive, AR）谱估计技术：Yao等人在2012年提出了一种基于Choi-Williams分布（Choi-Williams Distribution, CWD）的QTFA方法在BOTDR中，这种信号处理算法减轻了由于Heisenberg-Gabor不确定性原理引起的BFS测量误差，从而在不恶化空间分辨率的情况下提高了频率精度。实验结果表明，与传统FFT或扫描频率方法相比，获得了3倍的BFS精度。Huang等人在2018年将基于Burg算法的AR谱估计技术应用于布里渊后向散射谱的分析，在中等空间分辨率下，测量精度比传统FFT获得的结果提高了三倍。 4. 其他算法：Pradhan等人在2016年提出了傅里叶小波正则化反卷积（Fourier-Wavelet Regularized Deconvolution, FOURWARD）算法来增强LPR-BOTDR的DR，他们基于FOURWARD算法和LPR方法进行了分布式应变提取的数值模拟，在70km传感光纤上（空间分辨率为10m，发射脉冲峰值功率仅为10mW）实现了49.1dB的DR。Soto等人在2016年提出了一种两阶段自适应算法，从获取的低质量BOTDR数据中提取准确的应变分布，结合上述两阶段数据处理，获得了18dB的SNR增强，并通过其在地下矿山真实BOTDR数据上的应用进行了实验验证。
在大多数传统BOTDR中，频率扫描配置对于通过逐步测量每个频率点的信号功率并执行BGS拟合来获得BFS的演变是必不可少的。显然，由于需要测量数十个频率点，完成一次测量需要很长时间。然而，某些应用（如布里渊传感中应变/温度变化的快速识别）期望系统具有快速响应时间。因此，已经提出了各种方案来提高BOTDR的测量速度。
在优化算法加速信号测量和曲线拟合方面： 1. 模式识别技术：Ding等人在2010年采用模式识别技术处理BOTDR的大量数据，通过综合分析特征向量的均值和标准差，快速准确地定位异常区域。 2. 小波包去噪技术：Wan等人在2012年将小波包去噪技术应用于BGS拟合，允许以更大的频率间隔扫描BGS而不会降低拟合精度，从而减少了测量和拟合时间。 3. 数字包络检测器（Digital Envelope Detector, DED）：Yang等人在2014年设计了一种基于快速广义谐波小波变换（Generalized Harmonic Wavelet Transform, GHWT）算法的DED（GHWT-DED），以加快从时域轨迹中提取信号包络，与之前报告的Hilbert变换和Morlet小波变换相比，其解调速度可以分别加快39.1%和24.9%。 4. 相似性匹配方法（Similarity Matching Method, SMM）：Wang等人在2015年利用SMM快速高精度识别BFS变化，主要通过基于相关系数的相似性测量获得，数据处理速度比传统曲线拟合方法快120倍，BFS精度提高了3倍。 5. FPGA-based BFS估计器：Abbasnejad和Alizadeh在2018年提出了移动平均滤波器和互相关去噪技术用于BFS估计，并在基于FPGA的硬件平台上实现，与传统的LM拟合方法相比，这种FPGA-based BFS估计器的平均运行时间减少了2400倍以上。
在FFT技术及其改进方面： 1. FFT技术：早在2007年，FFT技术就被用于BOTDR中，在仅1秒内对12.5km传感光纤进行1024次平均，实现准实时温度或应变测量，消除了耗时的频率扫描过程。 2. 短时傅里叶变换（Short-Time Fourier Transform, STFT）：Tu等人在2014年将BGS下变频到中频区域，并采用STFT从记录的时域数据中动态重建BFS，在270m传感光纤上实现了16.7Hz的应变变化。Li等人在2017年基于STFT-BOTDR通过检测小增益受激布里渊散射（Stimulated Brillouin Scattering, SBS）而不是传统BOTDR中的自发布里渊散射进行了动态应变测量，在935m光纤末端检测到了60Hz的振动。
在其他无需频率扫描的新型BOTDR方面： 1. 基于MZI的直接检测BOTDR（D-BOTDR）：Masoudi等人在2013年展示了使用带有3×3输出耦合器的不平衡MZI的D-BOTDR，用于差分和交叉相乘（Differentiate and Cross-Multiply, DCM）解调方案，该技术能够将BFS变化转换为强度变化以加速测量，在2km传感光纤上（空间分辨率为1.3m）以2Hz采样率展示了±50µε的应变精度。 2. 自延迟外差BOTDR（Self-Delayed Heterodyne BOTDR, SDH-BOTDR）：Koizumi等人在2015年将自延迟外差检测应用于BOTDR进行高速应变测量，无需频率扫描，该方法主要基于由延迟光纤在一个臂中和作为光频移器的声光调制器（Acousto-Optic Modulator, AOM）在另一个臂中组成的延迟干涉仪实现，在1km传感光纤上（空间分辨率为1.5m）达到了25Hz的重复率。 3. 斜率辅助BOTDR（Slope-Assisted BOTDR, SA-BOTDR）：Maraval等人在2017年将这种技术移植到相干BOTDR中构建SA-BOTDR，通过将本地光学振荡器的参考频率调制到BGS的正极值斜率（称为工作频率），在100m光纤上（空间分辨率为1m）实现了7.6Hz的采集速率和±40µε的应变误差。 4. 双边缘检测BOTDR（Double-Edge Detection BOTDR, DE-BOTDR）：Shangguan等人在2017年采用这种技术设计DE-BOTDR，在方案中，利用UCSPD增强系统SNR，双边缘技术将应变引起的BFS变化转换为边缘滤波器两个不同边缘处的布里渊信号强度变化，此外，时分复用（Time-Division Multiplexing, TDM）技术使一个单通道法布里-珀罗干涉仪（Fabry-Perot Interferometer, FPI）作为双边缘滤波器运行，在1.5km传感光纤上实现了30Hz