背景介绍

      近年来，一种新的光纤传感概念逐渐兴起——基于既有光纤网络的信息感知。它将密布于地球表面的光纤网络视作地球的神经系统，在其通信本征功能之外，发展附加感知能力，从而将整个网络转化为一个密集的传感阵列。这一技术在基础设施健康监测、人类活动以及地质观测等领域展示出了巨大的应用潜力。

利用光纤干涉仪进行相位变化测量的方法早在1976年就被提出，但是直到今天，这种方法的分布式感知问题一直无法解决，因此一般仅被应用于陀螺仪、光纤麦克风等点式传感器中。自2018年开始，一系列高水平论文演示了基于光纤干涉仪的信息感知方法及其在长距离既有光缆上的应用，引起了广泛关注。该方法探测距离长、频带宽、动态范围大，能够与通信光缆网络融合。

      清华大学王波副教授研究团队针对光纤干涉仪的多振动事件定位问题，提出了一种镜像相关方法。其原理是信号光在光纤链路中往返传输时两次感受同一振动，这两次振动信号间的时间延迟（时延）已经蕴含了位置信息。对不同的时延进行扫描时，若扫描时延与真实待测时延不一致，就会产生特定频率的误差标记。人偶A、B代表两次振动信号，通过镜像和时延操作，可以实现B和1A之间的消除，只有当所用时延与真实待测时延相同时，两者才能消除，否则就会保留具有特定频率的误差标记信号。通过测量特定频率误差标记信号的功率，即可实现振动事件的精确定位。研究成果为基于长距离光缆的人类活动及海洋、地质活动监测提供了新的发展动力，并以“Fiber-based distributed sensing laser interferometer enabled by the mirror-image correlation method”为题，发表在Advanced Photonics Nexus 2024年第6期。

研究内容

1.长距离链路多振动事件定位

      光缆作为最大的基础设施之一，确保其面对外界入侵及扰动事件时的安全性至关重要，光纤传感技术为这一问题提供了良好的解决方案。研究人员对往返250 km的光纤链路施加敲击，并利用镜像相关方法进行振动事件定位。对链路某一个点A进行连续敲击时，可以在监测信号中观察到明显的多次敲击事件，并通过镜像相关方法精确获取敲击事件的作用位置。若对链路上不同位置的3个点A、B和C同时进行敲击，在这种多个振动事件互相重叠的情况下，从监测信号中很难进行有效识别。而使用镜像相关方法后，得到的时空瀑布图显示了三个位置敲击事件的具体作用情况。该方法解决了光纤干涉仪的分布式振动感知难题。

2.城市交通振动监测

      对往返164 km商用通信光缆的监测展示了这一技术在城市信息获取中的应用潜力。在一条贯穿清华大学校园、奥体中心、公园绿地和教育园区的埋地光缆沿线显示出了多个异常强烈的交通振动作用点，如图4所示。其中之一是在清华大学校园内，由车辆经过光缆上方的减速带产生，两辆车前后车轮产生的振动信号与定位时空瀑布图呈现了事件和位置的一一对应。另一个则发生在北京市惠新西街，地下人行通道上方的交通振动被清晰感知。当其作用时，两个不同位置的振动信号相互叠加，无法区分，以20 ms的时间窗长和步进对信号进行分段定位，形成的定位时空瀑布图显示了两个位置的交通振动情况。

总结与展望

      这项研究提出并演示了一种基于镜像相关方法的分布式振动感知，解决了光纤干涉仪的多振动事件感知定位难题，为利用既有光网络进行信息感知提供了新的思路。利用这种方法，研究人员分别进行了多点位敲击振动和城市交通振动的监测、定位和分析。这项工作推进了海陆光纤通信网络的传感赋能，为未来基础设施监测、智慧城市建设以及海洋、地质活动分析等多种监测场景提供了信息获取的手段。