基于外差探測(cè)Φ-OTDR的超低采樣精度技術(shù)及應(yīng)用

01、導(dǎo)讀

基于相敏光時(shí)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(chǎng)景，例如周界安防、管道監(jiān)控、交通監(jiān)測(cè)、海洋感知、地質(zhì)勘探等。外差探測(cè)Φ-OTDR結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠提取擾動(dòng)的強(qiáng)度和相位信息。同時(shí)，由于本振光會(huì)與瑞利背向散射（RBS）光拍頻，因此外差探測(cè)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(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)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(shí)間內(nèi)龐大的傳感數(shù)據(jù)，給系統(tǒng)存儲(chǔ)介質(zhì)的讀寫(xiě)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(yáng)團(tuán)隊(duì)，在國(guó)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(yáng)研究員為通訊作者。第一個(gè)工作探究了DAQ卡采樣精度對(duì)外差探測(cè)Φ-OTDR系統(tǒng)相位解調(diào)的影響。在實(shí)驗(yàn)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(dòng)信號(hào)，且信噪比達(dá)到58.03dB，僅比16bits的數(shù)據(jù)低5dB。第二個(gè)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(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)了擾動(dòng)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(shí)，第二個(gè)工作展示了一種新的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案（即存儲(chǔ)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(duì)擾動(dòng)識(shí)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(zhǎng)時(shí)間持續(xù)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景中，這兩項(xiàng)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(duì)光電探測(cè)器輸出的連續(xù)信號(hào)進(jìn)行采集，得到一系列離散的樣本點(diǎn)，以便后續(xù)使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理。DAQ卡有兩個(gè)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(diǎn)的數(shù)量，而采樣精度決定了每個(gè)樣本點(diǎn)的精度。例如，一個(gè)250MSa/s、16bits的DAQ卡，表示它每秒鐘能采集250×106個(gè)樣本點(diǎn)，且每個(gè)樣本點(diǎn)使用16個(gè)比特來(lái)表示。

在傳統(tǒng)外差探測(cè)Φ-OTDR系統(tǒng)中，拍頻信號(hào)是一個(gè)帶通信號(hào)，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(hào)中心頻率為80MHz，帶寬20MHz，按照奈奎斯特采樣定理，要無(wú)混疊地采集該信號(hào)，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(duì)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(duì)DAQ卡采樣精度的研究，卻未見(jiàn)報(bào)道?；诖?，研究人員探究了傳統(tǒng)外差探測(cè)Φ-OTDR系統(tǒng)中，DAQ卡采樣精度對(duì)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(chǔ)空間圖示

03 、創(chuàng)新研究

在外差探測(cè)Φ-OTDR中，傳感光纖沿線的外部擾動(dòng)信息是記錄在RBS信號(hào)相位中的。因此，只要RBS信號(hào)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(dòng)信號(hào)。為了確保采集數(shù)據(jù)能夠正確記錄RBS信號(hào)相位，DAQ卡的采樣率應(yīng)當(dāng)大于等于拍頻信號(hào)上截止頻率的兩倍。在此前提下，使用超低的采樣精度會(huì)導(dǎo)致拍頻信號(hào)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(shí)驗(yàn)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(hào)波形，后續(xù)的相位解調(diào)工作也能順利進(jìn)行。

為了對(duì)比不同精度數(shù)據(jù)對(duì)相位解調(diào)結(jié)果的影響，研究人員先用16bits采樣精度進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(hào)波形，頻譜，恢復(fù)后波形，以及恢復(fù)波形與16bits信號(hào)波形的相關(guān)系數(shù)曲線。可以看到，對(duì)于精度低至1bit的拍頻信號(hào)，其頻譜中雖然背景噪聲有提高，但是其恢復(fù)出的信號(hào)波形與16bits信號(hào)波形的相關(guān)系數(shù)仍然超過(guò)96%。

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

圖4對(duì)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(gè)數(shù)據(jù)均能實(shí)現(xiàn)良好的擾動(dòng)定位與擾動(dòng)波形分析。圖4f-4g展示了擾動(dòng)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(dòng)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(shí)，再提高數(shù)據(jù)精度對(duì)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(cè)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(duì)比。（a） 相位軌跡標(biāo)準(zhǔn)差；（b） 擾動(dòng)時(shí)域波形；（c） 擾動(dòng)對(duì)應(yīng)的PSD；（d） 安靜位置處時(shí)域波形；（e） 安靜位置波形對(duì)應(yīng)的PSD；（f） 不同采樣精度下擾動(dòng)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(hào)的采樣。該技術(shù)已有報(bào)導(dǎo)（Optics Letters ，2019， 44（4）：911），此處不再贅述?；诖?，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(diǎn)數(shù)量與單個(gè)樣本點(diǎn)大小這兩個(gè)維度上同時(shí)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(wèn)題的一個(gè)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?jī)H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(duì)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(hào)強(qiáng)度圖，安靜位置處相位波形及其PSD，擾動(dòng)波形及其PSD中，可以看到降采樣+超低精度采樣方案在擾動(dòng)定位、擾動(dòng)波形恢復(fù)及其頻譜分析上均有良好的表現(xiàn)。在實(shí)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(hào)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(gè)平衡點(diǎn)，以此解決超低采樣精度會(huì)導(dǎo)致信號(hào)噪聲水平提高的問(wèn)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(shí)域波形，（c） 及其對(duì)應(yīng)的PSD；（d） 擾動(dòng)時(shí)域波形，（e） 及其對(duì)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(duì)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(hào)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(shí)間樣本點(diǎn)數(shù)量與單個(gè)樣本點(diǎn)大小這兩個(gè)維度上同時(shí)降低系統(tǒng)數(shù)據(jù)量，減少了傳感系統(tǒng)對(duì)高性能DAQ卡的依賴，同時(shí)極大地緩解了存儲(chǔ)媒介的讀寫(xiě)與存儲(chǔ)壓力，這對(duì)降低系統(tǒng)成本有著重要意義。

審核編輯：郭婷