分布式光纤传感网络利用电信光缆作为传感介质的技术进展与应用 [特邀报告]

作者及机构
本文由NEC Laboratories America的Ezra Ip（通讯作者）、Jian Fang、Yaowen Li、Qiang Wang、Ming-Fang Huang、Milad Salemi和Yue-Kai Huang共同完成，发表于2022年1月的*Journal of Optical Communications and Networking*（Vol. 14, No. 1）。

学术背景
分布式光纤传感（Distributed Fiber Optic Sensing, DFOS）是近年来快速发展的技术领域，其核心是通过复用电信光纤基础设施，实现大范围环境参数的分布式监测。传统光纤网络主要用于数据传输，但光纤本身对温度和应变敏感的特性使其可作为传感介质。DFOS基于三种背向散射机制——瑞利（Rayleigh）、布里渊（Brillouin）和拉曼（Raman）散射，分别用于振动、静态应变和温度的分布式测量。研究团队旨在通过实验验证DFOS在现有电信网络中的可行性，并探索其在城市基础设施监控、交通管理和自然灾害预警等领域的应用价值。

研究流程与方法
1. 技术基础与信号处理
- 瑞利散射振动传感：通过发射短脉冲（如100 ns）进入光纤，接收背向散射信号并分析其幅度或相位变化。团队采用相干检测架构（图4）和数字信号处理（DSP）算法（图5），通过差分乘积和矢量合成提取振动波形，空间分辨率达1米。
- 布里渊散射应变与温度传感：利用布里渊频移（BFS）对温度和应变的依赖性（公式4），通过频域分析（FFT和洛伦兹拟合）实现静态应变监测，实验中使用50 ns脉冲和5 kHz重复频率，空间分辨率5.2米。
- 拉曼散射温度传感：基于斯托克斯（Stokes）与反斯托克斯（anti-Stokes）光功率比（公式7），通过波长分复用器（WDM）分离信号，使用雪崩光电二极管（APD）检测微弱信号。

1. 现场试验

   • 多参数监测：在新泽西州的现有电信网络上进行四通道分布式振动传感（DVS）和温度传感（DTS）试验。结果显示，架空光缆因环境暴露温度波动显著（15°C–40°C），而埋地光缆温度稳定（图9）。振动监测（图10）成功识别车辆速度与方向，疫情期间交通流量变化显著（图11）。
     
   • 架空光缆应变监测：通过布里渊光时域反射仪（BOTDR）测试三根电线杆间的光缆，施加20磅（约9 kg）重量模拟应变。实验测得应变93 με（位置P1）和186 με（位置P2），并验证了应变分布与光缆固定方式的关系（图12–15）。
     

2. 无源光网络（PON）适配

   • 传统PON因多用户共享光纤难以区分分布光纤（DF）的背向散射。团队提出在光网络单元（ONU）插入反射式半导体光放大器（RSOA），通过时间复用实现各DF独立监测（图16）。实验证明，该方法可检测100 Hz和133 Hz的压电振动信号（图18），并成功识别步行、骑行和车辆行驶（图19）。

主要结果
1. 瑞利散射：振动传感的空间分辨率达1米，相位灵敏度0.35 nε/√Hz，适用于交通监控（图10–11）。
2. 布里渊散射：静态应变监测精度达με级，验证了架空光缆的应变分布模型（图14–15）。
3. 拉曼散射：温度监测范围覆盖-40°C至80°C，分辨率为1°C（图9）。
4. PON适配：RSOA方案使DFOS兼容现有PON架构，支持多用户独立传感（图16–19）。

结论与价值
本研究通过三类散射机制的综合应用，验证了DFOS在电信网络中的多功能监测能力。其科学价值在于：
- 提出基于DSP的实时信号处理流程，提升了传感精度与速度；
- 首次在承载实时流量的可重构光分插复用器（ROADM）网络中实现DFOS；
- 通过RSOA解决PON架构的兼容性问题。
应用层面，DFOS可服务于智慧城市（如交通流量分析）、基础设施健康监测（如管道泄漏检测）和灾害预警（如地震监测）。

研究亮点
1. 技术创新：结合相干检测与机器学习后处理，实现高灵敏度振动传感；开发BOTDR的实时频移估计算法。
2. 多场景验证：覆盖埋地、架空和PON光缆，证明技术的普适性。
3. 网络兼容性：首次在运营中的多跨距放大网络中部署DFOS，并提出中继器 redesign 的解决方案。

其他价值
- 为电信运营商开辟新收入来源（如环境监测服务）；
- 推动分布式传感与5G网络的协同发展（如文献21提到的50G-PON）。