基于外差探测Φ-OTDR的超低采样精度技术及应用

01、导读
基于相敏光时域反射仪（φ-otdr）的分布式光纤传感技术已被广泛应用于许多场景，例如周界安防、管道监控、交通监测、海洋感知、地质勘探等。外差探测φ-otdr结构简单，能够提取扰动的强度和相位信息。同时，由于本振光会与瑞利背向散射（rbs）光拍频，因此外差探测结构有较高的信噪比。但是，传统φ-otdr系统中一般都需要配备高性能数据采集卡（daq），而较高的采样精度（例如14bits或16bits）意味着单个数据点的体积更大。在相同采样率的情况下，daq卡采样精度越高，每秒钟产生的数据量越大。单位时间内庞大的传感数据，给系统存储介质的读写速度提出了不小的挑战。另外，高性能daq卡也提高了系统成本。
近期，南方科技大学邵理阳团队，在国际著名期刊optics letters与sensors上分别发表了题为“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，南方科技大学博士研究生余飞宏为论文第一作者，邵理阳研究员为通讯作者。第一个工作探究了daq卡采样精度对外差探测φ-otdr系统相位解调的影响。在实验中，研究人员成功从1bit精度的原始数据中，恢复出了pzt施加的正弦扰动信号，且信噪比达到58.03db，仅比16bits的数据低5db。第二个工作将超低采样精度技术与降采样技术结合，展示了其在降低系统数据量方面的应用。实验中，研究人员将系统每秒钟产生的数据量，由476.84mb（250msa/s， 16bits）减少到5.96mb（50msa/s， 1bit），并成功从低采样率、低精度数据中实现了扰动解调。上述工作证明了1bit精度原始数据相位解调的可行性，为工程应用中daq卡精度的选择提供了参考。同时，第二个工作展示了一种新的数据存储方案（即存储低采样率低精度的原始数据），这样不仅可以大幅降低系统数据量，还可以在后期针对扰动识别的工作中，为特征的选择提供更多的空间。在周界安防、管道监控等需长时间持续监测的应用场景中，这两项工作有着重要的意义。
封面图：系统结构
02 、研究背景
daq卡对光电探测器输出的连续信号进行采集，得到一系列离散的样本点，以便后续使用计算机进行信号处理。daq卡有两个重要参数，分别是采样率与采样精度。采样率决定了daq卡每秒钟采集样本点的数量，而采样精度决定了每个样本点的精度。例如，一个250msa/s、16bits的daq卡，表示它每秒钟能采集250×106个样本点，且每个样本点使用16个比特来表示。
在传统外差探测φ-otdr系统中，拍频信号是一个带通信号，其中心频率由声光调制器（aom）引入的频移量控制。假设拍频信号中心频率为80mhz，带宽20mhz，按照奈奎斯特采样定理，要无混叠地采集该信号，则至少需要180msa/s的采样率才能完成采样。目前已有不少针对φ-otdr系统daq卡采样率的研究，例如降采样技术等，但针对daq卡采样精度的研究，却未见报道。基于此，研究人员探究了传统外差探测φ-otdr系统中，daq卡采样精度对相位解调结果的影响。
图2：不同采样精度下数据占用的存储空间图示
03 、创新研究
在外差探测φ-otdr中，传感光纤沿线的外部扰动信息是记录在rbs信号相位中的。因此，只要rbs信号的相位能够被采集数据准确记录，就能解调出扰动信号。为了确保采集数据能够正确记录rbs信号相位，daq卡的采样率应当大于等于拍频信号上截止频率的两倍。在此前提下，使用超低的采样精度会导致拍频信号波形失真。尽管如此，由于采样率足够，从失真波形中仍然有望完成相位解调。实验结果显示，使用本文提出的方法，能从超低精度原始数据中恢复出拍频信号波形，后续的相位解调工作也能顺利进行。
为了对比不同精度数据对相位解调结果的影响，研究人员先用16bits采样精度进行数据采集（采样率为250msa/s），然后在数字域上降低数据精度，以确保实验数据的一致性。图3展示了16bits，4bits，2bits，和1bit精度的拍频信号波形，频谱，恢复后波形，以及恢复波形与16bits信号波形的相关系数曲线。可以看到，对于精度低至1bit的拍频信号，其频谱中虽然背景噪声有提高，但是其恢复出的信号波形与16bits信号波形的相关系数仍然超过96%。
图3：不同采样精度下，（a）时域波形对比；（b）时域波形对应的psd对比；（c）恢复后的波形对比；（d）恢复波形与16bits波形的相关系数曲线
图4对比了16bits数据与1bit数据的相位解调结果。从图4a-4c中可以看到，两个数据均能实现良好的扰动定位与扰动波形分析。图4f-4g展示了扰动信噪比及应变分辨率随数据精度变化的曲线。这一曲线符合人们的直观认知，即精度越高，相位解调得到的扰动信噪比及系统的应变分辨率更好。但是，当数据精度提高到5bits附近时，再提高数据精度对信噪比与应变分辨率的影响就变得非常微小。由此可知，使用常规8bits精度的daq卡已能完成外差探测φ-otdr系统的数据采集工作。
图4： 16bits数据与1bit数据的相位解调结果对比。（a）相位轨迹标准差；（b）扰动时域波形；（c）扰动对应的psd；（d）安静位置处时域波形；（e）安静位置波形对应的psd；（f）不同采样精度下扰动信噪比；（g）应变分辨率随不同采样精度的变化曲线。
如上文所述，在采样率足够的情况下，超低精度的原始数据仍然可以恢复波形并完成相位解调。另一方面，降采样技术允许系统使用更低的采样率，完成带通信号的采样。该技术已有报导（optics letters ，2019， 44（4）：911），此处不再赘述。基于此，为了降低系统数据量，将超低采样精度技术与降采样技术结合，从每秒钟样本点数量与单个样本点大小这两个维度上同时降低φ-otdr系统原始数据量，是解决φ-otdr庞大数据体量问题的一个新的方案。
图5展示了不同采样率与采样精度下，每秒钟产生的数据量大小。从中可以直观地看到，250msa/s+16bits的普通采样方案，与50msa/s+1bit的降采样+超低精度采样方案，每秒钟产生的数据量差距非常大。前者每秒钟产生的数据量为476.84mb，而后者每秒钟产生的数据量仅为其1/80，约5.96mb。
图5：不同采样率与采样精度下每秒钟产生的数据量大小
图6对比了常规采样（250msa/s+16bits），降采样（50msa/s+16bits），超低精度采样（250msa/s+1bit），以及降采样+超低精度采样（50msa/s+1bit）这四种采样方案的相位解调结果。从相位差分信号强度图，安静位置处相位波形及其psd，扰动波形及其psd中，可以看到降采样+超低精度采样方案在扰动定位、扰动波形恢复及其频谱分析上均有良好的表现。在实际应用中，为了获得与常规采样数据更相近的信号质量，可以适当上调采样精度（例如4bits），在数据量与相位解调信噪比之间寻找一个平衡点，以此解决超低采样精度会导致信号噪声水平提高的问题。
图6：四种采样方案下的相位解调结果。（a）相位差分结果；（b）安静位置相位时域波形，（c）及其对应的psd；（d）扰动时域波形，（e）及其对应的psd。
04、应用与展望
上述工作探究了daq卡采样精度对φ-otdr系统相位解调的影响，并介绍了超低采样精度技术在降低φ-otdr系统数据量方面的应用。研究表明，从1bit精度的原始数据中能够恢复拍频信号波形并完成相位解调工作。超低采样精度技术结合降采样技术，则从单位时间样本点数量与单个样本点大小这两个维度上同时降低系统数据量，减少了传感系统对高性能daq卡的依赖，同时极大地缓解了存储媒介的读写与存储压力，这对降低系统成本有着重要意义。