光纖網絡新機遇：賦能通信網絡的智能傳感

背景介紹

      近年來，一種新的光纖傳(chuan) 感概念逐漸興(xing) 起——基於(yu) 既有光纖網絡的信息感知。它將密布於(yu) 地球表麵的光纖網絡視作地球的神經係統，在其通信本征功能之外，發展附加感知能力，從(cong) 而將整個(ge) 網絡轉化為(wei) 一個(ge) 密集的傳(chuan) 感陣列。這一技術在基礎設施健康監測、人類活動以及地質觀測等領域展示出了巨大的應用潛力。

利用光纖幹涉儀(yi) 進行相位變化測量的方法早在1976年就被提出，但是直到今天，這種方法的分布式感知問題一直無法解決(jue) ，因此一般僅(jin) 被應用於(yu) 陀螺儀(yi) 、光纖麥克風等點式傳(chuan) 感器中。自2018年開始，一係列高水平論文演示了基於(yu) 光纖幹涉儀(yi) 的信息感知方法及其在長距離既有光纜上的應用，引起了廣泛關(guan) 注。該方法探測距離長、頻帶寬、動態範圍大，能夠與(yu) 通信光纜網絡融合。

      清華大學王波副教授研究團隊針對光纖幹涉儀(yi) 的多振動事件定位問題，提出了一種鏡像相關(guan) 方法。其原理是信號光在光纖鏈路中往返傳(chuan) 輸時兩(liang) 次感受同一振動，這兩(liang) 次振動信號間的時間延遲（時延）已經蘊含了位置信息。對不同的時延進行掃描時，若掃描時延與(yu) 真實待測時延不一致，就會(hui) 產(chan) 生特定頻率的誤差標記。人偶A、B代表兩(liang) 次振動信號，通過鏡像和時延操作，可以實現B和1A之間的消除，隻有當所用時延與(yu) 真實待測時延相同時，兩(liang) 者才能消除，否則就會(hui) 保留具有特定頻率的誤差標記信號。通過測量特定頻率誤差標記信號的功率，即可實現振動事件的精確定位。研究成果為(wei) 基於(yu) 長距離光纜的人類活動及海洋、地質活動監測提供了新的發展動力，並以“Fiber-based distributed sensing laser interferometer enabled by the mirror-image correlation method"為(wei) 題，發表在Advanced Photonics Nexus 2024年第6期。

研究內(nei) 容

1.長距離鏈路多振動事件定位

      光纜作為(wei) 最大的基礎設施之一，確保其麵對外界入侵及擾動事件時的安全性至關(guan) 重要，光纖傳(chuan) 感技術為(wei) 這一問題提供了良好的解決(jue) 方案。研究人員對往返250 km的光纖鏈路施加敲擊，並利用鏡像相關(guan) 方法進行振動事件定位。對鏈路某一個(ge) 點A進行連續敲擊時，可以在監測信號中觀察到明顯的多次敲擊事件，並通過鏡像相關(guan) 方法精確獲取敲擊事件的作用位置。若對鏈路上不同位置的3個(ge) 點A、B和C同時進行敲擊，在這種多個(ge) 振動事件互相重疊的情況下，從(cong) 監測信號中很難進行有效識別。而使用鏡像相關(guan) 方法後，得到的時空瀑布圖顯示了三個(ge) 位置敲擊事件的具體(ti) 作用情況。該方法解決(jue) 了光纖幹涉儀(yi) 的分布式振動感知難題。

2.城市交通振動監測

      對往返164 km商用通信光纜的監測展示了這一技術在城市信息獲取中的應用潛力。在一條貫穿清華大學校園、奧體(ti) 中心、公園綠地和教育園區的埋地光纜沿線顯示出了多個(ge) 異常強烈的交通振動作用點，如圖4所示。其中之一是在清華大學校園內(nei) ，由車輛經過光纜上方的減速帶產(chan) 生，兩(liang) 輛車前後車輪產(chan) 生的振動信號與(yu) 定位時空瀑布圖呈現了事件和位置的一一對應。另一個(ge) 則發生在北京市惠新西街，地下人行通道上方的交通振動被清晰感知。當其作用時，兩(liang) 個(ge) 不同位置的振動信號相互疊加，無法區分，以20 ms的時間窗長和步進對信號進行分段定位，形成的定位時空瀑布圖顯示了兩(liang) 個(ge) 位置的交通振動情況。

總結與(yu) 展望

      這項研究提出並演示了一種基於(yu) 鏡像相關(guan) 方法的分布式振動感知，解決(jue) 了光纖幹涉儀(yi) 的多振動事件感知定位難題，為(wei) 利用既有光網絡進行信息感知提供了新的思路。利用這種方法，研究人員分別進行了多點位敲擊振動和城市交通振動的監測、定位和分析。這項工作推進了海陸光纖通信網絡的傳(chuan) 感賦能，為(wei) 未來基礎設施監測、智慧城市建設以及海洋、地質活動分析等多種監測場景提供了信息獲取的手段。