-2020(5G)推进组：面向通感算一体化光网络的光纤传感技术

IMT-2020(5G)推进组于2013年2月由中国工业和信息化部、国家发展和改革委员会、科学技术部联合推动成立，组织架构基于原IMT-Advanced推进组，成员包括中国主要的运营商、制造商、高校和研究机构。推进组是聚合中国产学研用力量、推动中国第五代移动通信技术研究和开展国际交流与合作的主要平台。 IMT-2020(5G)推进组 面向通感算一体化光网络的光纤传感技术白皮书 目录 引言 P1 技术方案与关键器件 P2 典型应用场景 P16 产品化能力 P24 总结与展望 P26 主要贡献单位 P27 引言 IMT-2020(5G)推进组 面向通感算一体化光网络的光纤传感技术白皮书 1 5G/5G-A的快速发展催生各种新应用不断涌现，未来6G还将提供更加丰富的业务体验，仅具备光通信属性的承载网络已不能满足应用需求，通信、感知与算力等多系统的深度融合成为技术发展新趋势。 光纤是光通信网络信息传输的关键介质，铺设区域和密集度快速增长，根据工信部统计，截至2023年6月底我国光缆线路总长度已达6196万公里。光纤除构建通信网络外，同时具备温度、应力、折射率、振动、磁场和电场等多参量的状态感知能力，将光纤传感与光通信相结合，可实现大规模、高密度的通感一体化光网络。同时，基于本地计算独立感知的传感系统已逐渐无法支撑各类新型应用对感知的极致需求，光通信网络具有高带宽、长距离、低时延和高可靠的数据传输能力，可有效辅助实现多节点协作感知，拓宽感知广度。另一方面，光通信网络也是算力基础设施的承载底座，海量感知数据可通过光通信网络传输至广泛分布的多级算力节点，结合人工智能等技术进行定制化特征抽取、深度计算、智能识别与信息融合，从而形成大带宽低时延通信、实时状态感知、按需调度算力的通感算一体化高效协同、互惠增强的光网络架构体系。 光纤传感作为感知层核心技术，是实现通感算一体化光网络的基础与关键，逐步成为业界关注的焦点。本白皮书聚焦面向通感算一体化的光纤传感技术方案、核心器件、应用场景和产品化能力等基础共性问题开展研究，并针对性提出后续发展建议，推动面向通感算一体化光网络的光纤传感技术产业有序演进，支撑我国信息通信基础设施高质量发展。 2 IMT-2020(5G)推进组 面向通感算一体化光网络的光纤传感技术白皮书 技术方案与关键器件 2.1技术原理 （1）基于光纤散射 基于光纤散射的传感技术利用光纤中散射光的物理特征，如振幅、相位、偏振、频率等进行分布式事件的感知。根据原理的不同，光纤散射可分为瑞利散射（弹性散射）、布里渊散射和拉曼散射 （非弹性散射）。 基于光纤瑞利散射的传感技术称为光时域反射（OTDR）。由于光纤局部密度和成分的随机起伏，光在传播时受到沿途光纤的瑞利散射系数、损耗特性等影响发生功率变化，因此可通过接收到的瑞利散射光功率来判断光纤的衰减特性，同时根据接收到散射光的时间来确定光纤损耗或断点位置，其系统结构如图1（A）所示。OTDR结构简单、技术成熟，但存在测量距离和空间分辨率之间的矛盾，需根据实际需求选择合适的脉宽进行取舍。目前OTDR商用产品已较为成熟，高精度、大动态范围方面仍在持续探索。 除传统OTDR之外，还衍生出相位型OTDR（Φ-OTDR）和偏振型OTDR（POTDR）。Φ-OTDR使用超窄线宽激光器调制的脉冲光进行探测，利用瑞利散射光之间的多径干涉效应，通过解调散射信号的强度和相位实现分布式振动定位，其系统结构如图1（B）所示。Φ-OTDR的灵敏度较高，能够监测微弱振动信号，还可解调准确恢复外界振动信号波形，但在实际应用中容易受到外界环境干扰，存在误报率高的问题，需结合模式识别等算法提升准确率。POTDR在光源后和接收端分别放置起偏器和检偏器，如图1（C）所示，利用光纤双折射效应引起的偏振变化获取外界对光纤链路的扰动，对温度、振动、应变、弯曲和扭转等变化均较为敏感。 图1基于瑞利散射原理的分布式传感系统结构示意图 IMT-2020(5G)推进组 面向通感算一体化光网络的光纤传感技术白皮书 泛应用，但由于光纤中的自发布里渊散射（SpBS）效率较低，一般需使用相干探测将本振光与布里渊 散射信号拍频实现信号放大，以提升空间分辨率和精度。此外，还可通过在光纤另一端打入与泵浦脉冲光对向传输且频率差位于布里渊增益谱内的连续探测光，以激发受激布里渊散射（SBS）提高信号 3 OTDR技术类似于脉冲激光雷达，其空间分辨率受限于激光器脉宽，较窄的脉宽可以提高光纤事件的空间分辨率，但同时降低了回波信号信噪比，限制检测距离。为解决上述矛盾，业界提出光频域反射（OFDR）技术，如图1（D）所示，将一束高相干的线性扫频光分为两路，一路作为探测光注入待测光纤，另一路为本地光，用于相干接收。利用光纤不同位置的背向瑞利散射光到达本地的时间不同，以及与本地光干涉形成射频信号的频率不同，可在频域上进行位置的区分。OFDR技术在光频域上对获得的拍频信号进行处理，其空间分辨率主要取决于调制信号的扫频范围，可达到厘米级甚至毫米级，因此更适用于高空间分辨率场景的应用。此外，系统的动态范围同时取决于空间分辨率和探测光的持续时间，可通过增加探测光时长来改善系统动态范围特性，从而同时获得高测量灵敏度和高空间分辨率。限制OFDR实现长距离和高空间分辨率测量的主要因素是激光器的线宽及扫频的非线性，需合理选择激光器及其调制方案。 光纤中还存在包括拉曼散射和布里渊散射在内的非弹性散射，通过吸收或释放声子使散射光相对于入射光发生频移。基于布里渊散射原理的光纤传感（BOTDR）技术与传统OTDR结构相似，如图2 （A）所示，不同之处在于接收端需滤出布里渊斯托克斯或反斯托克斯分量，再通过判断布里渊散射谱的频移来解调温度或应变等参量信息。BOTDR可在数十公里距离内分布式测量应变和温度，已取得广 4 IMT-2020(5G)推进组 面向通感算一体化光网络的光纤传感技术白皮书 强度，从而进一步拓展传感距离，称为布里渊时域分析（BOTDA），如图2（B）所示。BOTDA要求泵浦脉冲与探测光对向传输，在长距离传感中（>100km）常使用单光源的环路结构，导致传感距离受限。BOTDA系统结构相对复杂，目前商用程度较低。 图2基于布里渊散射原理的分布式传感系统结构示意图 除BOTDR和BOTDA外，还有结合布里渊散射和光学相关的布里渊光相关域分析（BOCDA）技术，对反向传播的泵浦光和探测光同步实施正弦频率调制，测量两束光干涉时沿光纤激发产生的周期性相关峰，其测量范围受限于相邻相关峰间隔，而其有效传感点数为传感距离与空间分辨率的比值，由光源的调制幅度决定。BOCDA的空间分辨率可达厘米甚至毫米量级，但针对分布式测量的扫描耗时较长，且周期性的相关峰导致传感距离受限，影响其工程实用。 另一种非弹性散射为拉曼散射，基于拉曼散射的光纤分布式传感称为拉曼光时域反射 （ROTDR）。拉曼散射光分为低频的斯托克斯光和高频的反斯托克斯光，其中反斯托克斯光的强度对温度非常敏感，而斯托克斯光强对温度不敏感，据此可以通过测量入射端监测散射回来的反斯托克斯与斯托克斯光的比值，实现光纤沿线的温度测量，其装置与BOTDR类似（如图3所示）。ROTDR的缺点是光纤的拉曼散射系数低，温度信息极易受到瑞利散射噪声、探测器噪声以及示波器或采集卡量化噪声的影响，因此对探测器和仪器有严格要求，通常需要大量平均来提高系统信噪比，测量时间较长。目前，ROTDR常结合光脉冲编码技术来提高检测精度和传感距离。 图3基于拉曼散射原理的分布式传感系统结构示意图 IMT-2020(5G)推进组 面向通感算一体化光网络的光纤传感技术白皮书 用的光学干涉系统有马赫-泽德干涉仪（MZI）、迈克尔逊干涉仪（MI）、法布里-佩罗干涉仪（FPI） 和萨格纳克干涉仪（SI）等。光学干涉仪包含传输本振信号的参考臂和传输测量信号的探测臂，完整的光学干涉传感系统由相干光源、传感单元、传感链路、光探测器和解调系统共同组成。基于光学 5 （2）基于SOP监控 在偏振复用相干光传输系统中，不同偏振方向的光场强度大小和相位差可以独立变化。基于偏振态的光纤传感（SOP）原理为外界扰动改变光纤的双折射，不同偏振分量在经过光纤传输后会各自经历不同的损耗、时延、色散、非线性等变化，改变各偏振信号之间的振幅比值和/或相位差，从而改变总偏振态。基于SOP监控的典型方案为偏振光时域反射（POTDR），可探测光纤沿线的温度、振动、应变、弯曲和扭转等变化。然而常规光纤POTDR易受多种环境参量的影响，区分不同因素对偏振态的影响是POTDR技术面临的重要问题。 SOP监控适用于对相干信号传输的光纤链路进行监测，可针对线路振动、应力变化及外力损伤等进行实时监测和上报，目前主要应用于海底光缆和电力光缆。业界的研究热点是利用光收发器接收端的数字信号处理技术（DSP）分析相干信号传输后的偏振态变化（以及对相位、功率等的监测分析），进而对沿线的环境参量进行计算分析，监测其异常和变化趋势。该方案无需添加额外的传感设施，只需借助相干信号的传输和数字信号的分析处理，其监测距离不受限制，在不影响组网方案的情况下即可灵活监测光纤链路的环境参量，具有成本低廉、应用灵活、便于拓展和大规模应用等优势。 （3）基于光学干涉 光学干涉利用多路光进行干涉从而将相位信息转换为强度信息进行探测，具有较高的灵敏度。常 在积极探索相关解决方案。 （1）超长传感距离 输电线路、石油管道、通信光缆等动辄上百公里，延长传感距离是光纤传感可广泛应用的关键之 6 IMT-2020(5G)推进组 面向通感算一体化光网络的光纤传感技术白皮书 干涉仪的光纤传感系统可以感知环境温度、压力、振动、应变、弯曲和扭转等参量变化，具有结构简单、灵敏度高、成本低等诸多优点。 （4）基于光纤光栅 光纤光栅是使用物理压制法、驻波法、光刻法、激光写入法等方式使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，等效于基于布拉格反射的窄带滤波器，也称光纤布拉格光栅 （FBG）。通过解调反射波长的变化，光纤光栅可对温度、应变、折射率、浓度等环境参量进行传感，具有体积小、熔接损耗低、光纤兼容性好、可嵌入式功能扩展、可阵列组网等优点。 表1对上述光纤传感技术原理进行了汇总。 表1光纤传感技术原理 2.2技术难点 随着光纤传感在众多应用场景中的深度应用，以及与通信、计算的交叉融合，其在超长距离传感、通信与传感信号串扰、事件模式识别、组网方案等方面呈现出新的技术难点与研究热点，业界正 高功率光脉冲，因交叉相位调制等非线性效应影响，传感信号与通信信号共纤传输时会对通信信号产 生干扰，导致误码率增加。降低两种信号之间的串扰是实现通感一体化的难点与关键。降低串扰的常用解决方案有两种，如图5所示，当传感模块前置时，降低入纤峰值光功率；当传感模块后置时，降低 7 IMT-2020(5G)推进组 面向通感算一体化光网络的光纤传感技术白皮书 一。常用的解决方案是光信号放大，包括基于拉曼光纤放大器（RFA）和远程泵浦放大器（ROPA）的放大技术。RFA具有噪声指数低、增益平坦等优势，包含一阶拉曼放大、二阶拉曼放大、三阶拉曼放大、混合分区放大、反向布里渊放大等机制。ROPA技术是掺饵光纤放大器（EDFA）与RFA的结合，由远程泵浦单元（RPU）和远程增益单元（RGU）共同构成。RGU放置于传输链路的适当位置，其增益介质为掺铒光纤，RPU发送泵浦光经光纤后注入RGU，RGU将信号光与泵浦光耦合实现对信号光的无中继放大。 目前利用二阶拉曼放大实现的单端最长传感距离可达131km，利用ROPA技术单端最长传感距离可达208km。一种典型的采用ROPA技术的超长跨距分布式光纤传感监测系统如图4所示，系统实现了Φ-OTDR/BOTDR融合监测的单端208km传感距离。 图4基于ROPA的超长距传感系统 （2）传感与通信信号低串扰 通感一体化的实现，