本文介绍了一项关于长距离前向传输分布式振动传感的多点振动定位方法的研究。该研究由深圳大学物理与光电工程学院的Rao Xing、Dai Shangwei、Chen Ming、Zhu Runlong、Lu Danxia、George Y. Chen以及Wang Yiping等人完成，发表在《Optics Express》期刊2024年8月12日出版的第32卷第17期上。研究团队来自教育部和广东省光电设备与系统重点实验室、深圳大学物理与光电工程学院，以及深圳市物联网光子器件与传感系统重点实验室等机构。

该研究的学术背景是海底光缆网络与光纤传感技术的结合。海底环境人类活动极少，是研究地球变化的理想场所，但传统观测手段覆盖范围有限。全球已有超过140万公里的海底通信光缆，如果能赋予这些光缆传感能力，则可以在不影响正常通信的前提下监测地震、海啸和航道交通等地质与海洋事件。目前广泛使用的分布式声学传感（distributed acoustic sensing, DAS）技术依赖于光脉冲的背向散射，传感距离通常小于70公里，且中继间隔与通信系统不兼容。近年来的研究虽然利用超稳激光干涉仪或偏振态变化实现了超长距离传感，但缺乏振动定位能力。前向传输分布式传感通常基于频域或时域方法进行定位，其中频域方法中的相位谱时延估计是近年来的核心方法。本研究旨在提出一种扩展的相位谱时延方法，实现多点振动的定位与幅度区分，并克服时域采样率对空间分辨率的根本限制。

研究的工作流程主要包括以下几个部分。首先，研究团队对海底光缆和无保护光纤进行了振动衰减对比测试。测试装置包括马赫-曾德尔干涉仪和平衡光电探测器，使用希尔伯特变换提取干涉信号的光功率和相位信息。结果显示，在0.01-100 Hz的频率范围内，海底光缆的封装结构对振动具有很强的隔离作用：光功率变化的差异为5.06 dB，相位偏移的差异为10.05 dB。尽管海底噪声水平比陆地低约两个数量级，但一个数量级的振动衰减意味着传感系统在海底工作时的振动检测限整体改善约一个数量级。其次，团队建立了多点振动定位的理论模型。系统采用双波长窄线宽光源从传感光纤两端注入，分别用λ1和λ2表示。外界振动会调制光纤的有效折射率，使光信号的强度和相位发生变化。两端检测到的同一振动信号之间存在时间差Δt，通过cΔt/n可以计算振动位置，其中c为真空光速，n为光纤有效折射率。利用自干涉结构引入延迟光纤，抑制慢变相位噪声并提高信噪比。对两端解调得到的相位或强度信号进行傅里叶变换，利用离散信号傅里叶变换的时移特性，在频域中通过相位差计算每个频率成分对应的时间延迟，进而实现不同频率振动源的定位。空间分辨率由公式dz = c/(2nNf)给出，其中N为采样点数，f为信号频率。第三，研究团队搭建了202.3 km单跨距前向传输分布式传感实验系统。系统使用分布式反馈激光器产生两个波长，分别从光纤两端入射。传感光纤总长202.3 km，包含四段光纤，使用FC/APC连接器连接。在光纤的不同位置用压电陶瓷（PZT）模拟振动源。检测端通过掺铒光纤放大器放大信号，利用光学混频器和平衡光电探测器进行相干检测。采样率设置为2 MS/s，每次测量采样时间为0.5 s。第四，团队进行了单点振动定位测试。将80 Hz正弦振动信号施加在101.5 km处，强度信号的时域波形在前后向检测端高度相似。通过相位谱时延计算，振动位置估计为100.9826 km，多次测量的均方根误差为17.9 m。对不同位置的单点振动进行定位，结果显示在光纤中部定位误差最小，两端误差较大。更重要的是，在2 MHz采样率下实现了1.25 m的空间分辨率，突破了传统时域方法中由采样率决定的空间分辨率限制。第五，团队测试了系统的灵敏度和频率响应。在80 Hz、0-2 με的动态应变范围内，强度解调的灵敏度为7.11%/με，检测限为20.1 pε/Hz^1/2；相位解调的灵敏度为40.55 mrad/με，检测限为101.7 pε/Hz^1/2。频率响应测试在0.01-100 Hz范围内进行，强度变化和相位偏移均表现出先突变后单调的趋势，这与PZT在不同频率下的位移响应有关。第六，团队进行了多点振动实验。在101 km和202.3 km处分别施加80 Hz和100 Hz的振动信号，强度解调的定位结果分别为100.91 km和203.51 km，相位解调的定位结果分别为123.16 km和203.98 km。两种解调方案均能区分不同频率的事件并确定其位置。

研究的主要结论是，该前向传输分布式光纤振动传感系统具有五点关键优势。第一，前向传输光强度比瑞利背向散射光高3-4个数量级，可以在无需光中继器的情况下实现数百公里的监测距离。第二，提出了基于强度、相位或偏振的多点振动定位理论框架，并进行了实验验证。第三，自补偿自干涉设计降低了检测端的相位噪声和偏振态漂移，无需超窄线宽激光器即可降低系统成本。第四，双波长操作配合波长选择路径降低了布里渊散射和瑞利散射等非线性效应和噪声的影响，提高了信噪比。第五，该前向传输分布式传感方法可以直接集成到现有光纤通信系统中，在不影响正常通信、无需硬件改动的情况下实现通信光缆的智能升级。实验系统在202.3 km单跨距传感距离上实现了多点振动定位，正弦振动的定位精度最小为17.9 m，空间分辨率为1.25 m。相位灵敏度为40.6 mrad/με@80 Hz，检测限为101.7 pε/Hz^1/2；强度灵敏度为7.1%/με@80 Hz，检测限为20.1 pε/Hz^1/2。测试频率范围为0.01-100 Hz。在信号处理过程中未进行信号平均，以实现更快的实时处理。该研究为将现有海底互联网光纤网络升级为覆盖全球海洋的观测网络提供了潜在方案。

研究的亮点包括：第一，首次在前向传输分布式传感中实现了多点振动同时定位和幅度区分，克服了传统时域互相关方法只能定性判断且无法分辨不同频率振动源的缺陷。第二，通过扩展相位谱时延方法，突破了时域采样率对空间分辨率的根本限制，在2 MHz采样率下实现了1.25 m的空间分辨率，而传统概念下该采样率对应的空间分辨率为100 m。第三，系统采用双波长和自补偿自干涉结构，降低了系统噪声和非线性效应，提高了信噪比和系统稳定性，同时降低了对激光器线宽的要求。第四，实验验证了海底光缆的振动衰减特性，为将该技术应用于实际海底监测环境提供了依据。第五，该技术可直接与现有光纤通信系统兼容，具有广泛的应用前景，尤其是在海底地震、海啸和航道交通监测方面。

此外，研究还讨论了系统的一些限制和未来发展方向。多点振动的可分辨数量上限受频率分辨率限制，而频率分辨率取决于总采样时间。当存在更多振动点时，由于谐波的存在，信号复杂度会增加，需要更先进的信号处理方法。对于宽带信号，如果发生频谱混叠，会导致信号失真，需要复杂的数学方法进行信号分离。在未来的工作中，引入信号平均可以进一步提升系统性能指标，但会增加计算负载和时间延迟。