01、導(dǎo)讀

基于相敏光時域反射儀（Φ-OTDR）的分布式光纖傳感技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于許多場景，例如周界安防、管道監(jiān)控、交通監(jiān)測、海洋感知、地質(zhì)勘探等。外差探測Φ-OTDR結(jié)構(gòu)簡單，能夠提取擾動的強度和相位信息。同時，由于本振光會與瑞利背向散射（RBS）光拍頻，因此外差探測結(jié)構(gòu)有較高的信噪比。但是，傳統(tǒng)Φ-OTDR系統(tǒng)中一般都需要配備高性能數(shù)據(jù)采集卡（DAQ），而較高的采樣精度（例如14bits或16bits）意味著單個數(shù)據(jù)點的體積更大。在相同采樣率的情況下，DAQ卡采樣精度越高，每秒鐘產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量越大。單位時間內(nèi)龐大的傳感數(shù)據(jù)，給系統(tǒng)存儲介質(zhì)的讀寫速度提出了不小的挑戰(zhàn)。另外，高性能DAQ卡也提高了系統(tǒng)成本。

近期，南方科技大學(xué)邵理陽團隊，在國際著名期刊Optics Letters與Sensors上分別發(fā)表了題為“Ultra-low sampling resolution technique for heterodyne phase-OTDR based distributed acoustic sensing”和“Data Reduction in Phase-Sensitive OTDR with Ultra-Low Sampling Resolution and Undersampling Techniques”的文章，南方科技大學(xué)博士研究生余飛宏為論文第一作者，邵理陽研究員為通訊作者。第一個工作探究了DAQ卡采樣精度對外差探測Φ-OTDR系統(tǒng)相位解調(diào)的影響。在實驗中，研究人員成功從1bit精度的原始數(shù)據(jù)中，恢復(fù)出了PZT施加的正弦擾動信號，且信噪比達(dá)到58.03dB，僅比16bits的數(shù)據(jù)低5dB。第二個工作將超低采樣精度技術(shù)與降采樣技術(shù)結(jié)合，展示了其在降低系統(tǒng)數(shù)據(jù)量方面的應(yīng)用。實驗中，研究人員將系統(tǒng)每秒鐘產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量，由476.84MB（250MSa/s， 16bits）減少到5.96MB（50MSa/s， 1bit），并成功從低采樣率、低精度數(shù)據(jù)中實現(xiàn)了擾動解調(diào)。上述工作證明了1bit精度原始數(shù)據(jù)相位解調(diào)的可行性，為工程應(yīng)用中DAQ卡精度的選擇提供了參考。同時，第二個工作展示了一種新的數(shù)據(jù)存儲方案（即存儲低采樣率低精度的原始數(shù)據(jù)），這樣不僅可以大幅降低系統(tǒng)數(shù)據(jù)量，還可以在后期針對擾動識別的工作中，為特征的選擇提供更多的空間。在周界安防、管道監(jiān)控等需長時間持續(xù)監(jiān)測的應(yīng)用場景中，這兩項工作有著重要的意義。

封面圖： 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

02 、研究背景

DAQ卡對光電探測器輸出的連續(xù)信號進行采集，得到一系列離散的樣本點，以便后續(xù)使用計算機進行信號處理。DAQ卡有兩個重要參數(shù)，分別是采樣率與采樣精度。采樣率決定了DAQ卡每秒鐘采集樣本點的數(shù)量，而采樣精度決定了每個樣本點的精度。例如，一個250MSa/s、16bits的DAQ卡，表示它每秒鐘能采集250×106個樣本點，且每個樣本點使用16個比特來表示。

在傳統(tǒng)外差探測Φ-OTDR系統(tǒng)中，拍頻信號是一個帶通信號，其中心頻率由聲光調(diào)制器（AOM）引入的頻移量控制。假設(shè)拍頻信號中心頻率為80MHz，帶寬20MHz，按照奈奎斯特采樣定理，要無混疊地采集該信號，則至少需要180MSa/s的采樣率才能完成采樣。目前已有不少針對Φ-OTDR系統(tǒng)DAQ卡采樣率的研究，例如降采樣技術(shù)等，但針對DAQ卡采樣精度的研究，卻未見報道。基于此，研究人員探究了傳統(tǒng)外差探測Φ-OTDR系統(tǒng)中，DAQ卡采樣精度對相位解調(diào)結(jié)果的影響。

圖2： 不同采樣精度下數(shù)據(jù)占用的存儲空間圖示

03 、創(chuàng)新研究

在外差探測Φ-OTDR中，傳感光纖沿線的外部擾動信息是記錄在RBS信號相位中的。因此，只要RBS信號的相位能夠被采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確記錄，就能解調(diào)出擾動信號。為了確保采集數(shù)據(jù)能夠正確記錄RBS信號相位，DAQ卡的采樣率應(yīng)當(dāng)大于等于拍頻信號上截止頻率的兩倍。在此前提下，使用超低的采樣精度會導(dǎo)致拍頻信號波形失真。盡管如此，由于采樣率足夠，從失真波形中仍然有望完成相位解調(diào)。實驗結(jié)果顯示，使用本文提出的方法，能從超低精度原始數(shù)據(jù)中恢復(fù)出拍頻信號波形，后續(xù)的相位解調(diào)工作也能順利進行。

為了對比不同精度數(shù)據(jù)對相位解調(diào)結(jié)果的影響，研究人員先用16bits采樣精度進行數(shù)據(jù)采集（采樣率為250MSa/s），然后在數(shù)字域上降低數(shù)據(jù)精度，以確保實驗數(shù)據(jù)的一致性。圖3展示了16bits，4bits，2bits，和1bit精度的拍頻信號波形，頻譜，恢復(fù)后波形，以及恢復(fù)波形與16bits信號波形的相關(guān)系數(shù)曲線。可以看到，對于精度低至1bit的拍頻信號，其頻譜中雖然背景噪聲有提高，但是其恢復(fù)出的信號波形與16bits信號波形的相關(guān)系數(shù)仍然超過96%。

圖3： 不同采樣精度下，（a） 時域波形對比；（b） 時域波形對應(yīng)的PSD對比；（c） 恢復(fù)后的波形對比；（d） 恢復(fù)波形與16bits波形的相關(guān)系數(shù)曲線

圖4對比了16bits數(shù)據(jù)與1bit數(shù)據(jù)的相位解調(diào)結(jié)果。從圖4a-4c中可以看到，兩個數(shù)據(jù)均能實現(xiàn)良好的擾動定位與擾動波形分析。圖4f-4g展示了擾動信噪比及應(yīng)變分辨率隨數(shù)據(jù)精度變化的曲線。這一曲線符合人們的直觀認(rèn)知，即精度越高，相位解調(diào)得到的擾動信噪比及系統(tǒng)的應(yīng)變分辨率更好。但是，當(dāng)數(shù)據(jù)精度提高到5bits附近時，再提高數(shù)據(jù)精度對信噪比與應(yīng)變分辨率的影響就變得非常微小。由此可知，使用常規(guī)8bits精度的DAQ卡已能完成外差探測Φ-OTDR系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集工作。

圖4： 16bits數(shù)據(jù)與1bit數(shù)據(jù)的相位解調(diào)結(jié)果對比。（a） 相位軌跡標(biāo)準(zhǔn)差；（b） 擾動時域波形；（c） 擾動對應(yīng)的PSD；（d） 安靜位置處時域波形；（e） 安靜位置波形對應(yīng)的PSD；（f） 不同采樣精度下擾動信噪比；（g） 應(yīng)變分辨率隨不同采樣精度的變化曲線。

如上文所述，在采樣率足夠的情況下，超低精度的原始數(shù)據(jù)仍然可以恢復(fù)波形并完成相位解調(diào)。另一方面，降采樣技術(shù)允許系統(tǒng)使用更低的采樣率，完成帶通信號的采樣。該技術(shù)已有報導(dǎo)（Optics Letters ，2019， 44（4）：911），此處不再贅述。基于此，為了降低系統(tǒng)數(shù)據(jù)量，將超低采樣精度技術(shù)與降采樣技術(shù)結(jié)合，從每秒鐘樣本點數(shù)量與單個樣本點大小這兩個維度上同時降低Φ-OTDR系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)量，是解決Φ-OTDR龐大數(shù)據(jù)體量問題的一個新的方案。

圖5展示了不同采樣率與采樣精度下，每秒鐘產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量大小。從中可以直觀地看到，250MSa/s+16bits的普通采樣方案，與50MSa/s+1bit的降采樣+超低精度采樣方案，每秒鐘產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量差距非常大。前者每秒鐘產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量為476.84MB，而后者每秒鐘產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量僅為其1/80，約5.96MB。

圖5： 不同采樣率與采樣精度下每秒鐘產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量大小

圖6對比了常規(guī)采樣（250MSa/s+16bits），降采樣（50MSa/s+16bits），超低精度采樣（250MSa/s+1bit），以及降采樣+超低精度采樣（50MSa/s+1bit）這四種采樣方案的相位解調(diào)結(jié)果。從相位差分信號強度圖，安靜位置處相位波形及其PSD，擾動波形及其PSD中，可以看到降采樣+超低精度采樣方案在擾動定位、擾動波形恢復(fù)及其頻譜分析上均有良好的表現(xiàn)。在實際應(yīng)用中，為了獲得與常規(guī)采樣數(shù)據(jù)更相近的信號質(zhì)量，可以適當(dāng)上調(diào)采樣精度（例如4bits），在數(shù)據(jù)量與相位解調(diào)信噪比之間尋找一個平衡點，以此解決超低采樣精度會導(dǎo)致信號噪聲水平提高的問題。

圖6： 四種采樣方案下的相位解調(diào)結(jié)果。（a） 相位差分結(jié)果；（b） 安靜位置相位時域波形，（c） 及其對應(yīng)的PSD；（d） 擾動時域波形，（e） 及其對應(yīng)的PSD。

04、應(yīng)用與展望

上述工作探究了DAQ卡采樣精度對Φ-OTDR系統(tǒng)相位解調(diào)的影響，并介紹了超低采樣精度技術(shù)在降低Φ-OTDR系統(tǒng)數(shù)據(jù)量方面的應(yīng)用。研究表明，從1bit精度的原始數(shù)據(jù)中能夠恢復(fù)拍頻信號波形并完成相位解調(diào)工作。超低采樣精度技術(shù)結(jié)合降采樣技術(shù)，則從單位時間樣本點數(shù)量與單個樣本點大小這兩個維度上同時降低系統(tǒng)數(shù)據(jù)量，減少了傳感系統(tǒng)對高性能DAQ卡的依賴，同時極大地緩解了存儲媒介的讀寫與存儲壓力，這對降低系統(tǒng)成本有著重要意義。

審核編輯：郭婷