IMT-通信行業(yè)：面向通感算一體化光網(wǎng)絡(luò)的光纖傳感技術(shù)白皮書(shū)

IMT-2020(5G)推進(jìn)組IMT-2020(5G)推進(jìn)組于2013年2月由中國(guó)工業(yè)和信息化部、國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、科學(xué)技術(shù)部聯(lián)合構(gòu)基于原IMT-Advanced推進(jìn)組，成員包括中國(guó)主要的運(yùn)營(yíng)商、制造商、高校和研究機(jī)構(gòu)。推進(jìn)組是聚合中國(guó)產(chǎn)學(xué)研用力IMT-2020(5G)推進(jìn)組12IMT-2020(5G)推進(jìn)組基于光纖散射的傳感技術(shù)利用光纖中散射光的物理特征，如振幅、相位、偏振、頻率等進(jìn)行分布式事件的感知。根據(jù)原理的不同，光纖散射可分為瑞利散射（彈性散射）、布里淵散射和拉曼散射光在傳播時(shí)受到沿途光纖的瑞利散射系數(shù)、損耗特性等影響發(fā)生功率變化，因此可通過(guò)接收到的瑞利散射光功率來(lái)判斷光纖的衰減特性，同時(shí)根據(jù)接收到散射光的時(shí)間來(lái)確定光纖損耗或斷點(diǎn)位置，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1（A）所示。OTDR結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟，但存在測(cè)量距離和空間分辨率之間的矛盾，需根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的脈寬進(jìn)行取舍。目前OTDR商用產(chǎn)品已較為成熟，高精度、大動(dòng)態(tài)范圍方面仍除傳統(tǒng)OTDR之外，還衍生出相位型OTDR(Φ-OTDR）和偏振型用超窄線寬激光器調(diào)制的脈沖光進(jìn)行探測(cè)，利用瑞利散射光之間的多徑干涉效應(yīng)，通過(guò)解調(diào)散射信號(hào)的強(qiáng)度和相位實(shí)現(xiàn)分布式振動(dòng)定位，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1（B）所示。Φ-OTDR的靈敏度較高，能微弱振動(dòng)信號(hào)，還可解調(diào)準(zhǔn)確恢復(fù)外界振動(dòng)信號(hào)波形，但在實(shí)際應(yīng)用中容易受到外界環(huán)境干擾，存在偏器，如圖1（C）所示，利用光纖雙折射效應(yīng)引起的偏振變化獲取外界對(duì)光纖鏈路的擾動(dòng)，對(duì)溫度、3IMT-2020(5G)推進(jìn)組OTDR技術(shù)類(lèi)似于脈沖激光雷達(dá)，其空間分辨率受限于激光器脈寬，較窄的脈寬可以提高光纖事件的空間分辨率，但同時(shí)降低了回波信號(hào)信噪比，限制檢測(cè)距離。為解決上述矛盾，業(yè)界提出光頻域反射（OFDR）技術(shù)，如圖1（D）所示，將一束高相干的線性掃頻光分為兩路，一路作為探測(cè)光注入待測(cè)光纖，另一路為本地光，用于相干接收。利用光纖不同位置的背向瑞利散射光到達(dá)本地的時(shí)間不對(duì)獲得的拍頻信號(hào)進(jìn)行處理，其空間分辨率主要取決于調(diào)制信號(hào)的掃頻范圍，可達(dá)到厘米級(jí)甚至毫米級(jí)，因此更適用于高空間分辨率場(chǎng)景的應(yīng)用。此外，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍同時(shí)取決于空間分辨率和探測(cè)光的持續(xù)時(shí)間，可通過(guò)增加探測(cè)光時(shí)長(zhǎng)來(lái)改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍特性，從而同時(shí)獲得高測(cè)量靈敏度和高空間分辨率。限制OFDR實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離和高空間分辨率測(cè)量的主要因素是激光器的線寬及掃頻的非線性，需合光纖中還存在包括拉曼散射和布里淵散射在內(nèi)的非彈性散射，通過(guò)吸收或釋放聲子使散射光相對(duì)于入射光發(fā)生頻移?；诓祭餃Y散射原理的光纖傳感（BOTDR）技術(shù)與傳統(tǒng)OTDR結(jié)構(gòu)相似，如圖2（A）所示，不同之處在于接收端需濾出布里淵斯托克斯或反斯托克斯分量，再通過(guò)判斷布里淵散射譜的頻移來(lái)解調(diào)溫度或應(yīng)變等參量信息。BOTDR可在數(shù)十公里距離內(nèi)分布式測(cè)量應(yīng)變和溫度，已取得廣散射信號(hào)拍頻實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大，以提升空間分辨率和精度。此外，還可通過(guò)在光纖另一端打入與泵浦脈沖光對(duì)向傳輸且頻率差位于布里淵增益譜內(nèi)的連續(xù)探測(cè)光，以激發(fā)受激布里淵散射（SBS）提高信號(hào)4IMT-2020(5G)推進(jìn)組強(qiáng)度，從而進(jìn)一步拓展傳感距離，稱(chēng)為布里淵時(shí)域分析（BOTDA如圖2（B）所示。BO泵浦脈沖與探測(cè)光對(duì)向傳輸，在長(zhǎng)距離傳感中（>100km）常使用單光源的環(huán)路結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致傳感距離受除BOTDR和BOTDA外，還有結(jié)合布里淵散射和光學(xué)相關(guān)的布里淵光相關(guān)域分析（BOCDA）技術(shù)，對(duì)反向傳播的泵浦光和探測(cè)光同步實(shí)施正弦頻率調(diào)制，測(cè)量?jī)墒飧缮鏁r(shí)沿光纖激發(fā)產(chǎn)生的周期性相關(guān)峰，其測(cè)量范圍受限于相鄰相關(guān)峰間隔，而其有效傳感點(diǎn)數(shù)為傳感距離與空間分辨率的比值，另一種非彈性散射為拉曼散射，基于拉曼散射的光纖分布式傳感稱(chēng)為拉曼光時(shí)域反射（ROTDR）。拉曼散射光分為低頻的斯托克斯光和高頻的反斯托克斯光，其中反斯托克斯光的強(qiáng)度對(duì)溫度非常敏感，而斯托克斯光強(qiáng)對(duì)溫度不敏感，據(jù)此可以通過(guò)測(cè)量入射端監(jiān)測(cè)散射回來(lái)的反斯托克斯與斯托克斯光的比值，實(shí)現(xiàn)光纖沿線的溫度測(cè)量，其裝置與BOTDR類(lèi)似（如圖3所示）。ROTDR的缺點(diǎn)是光纖的拉曼散射系數(shù)低，溫度信息極易受到瑞利散射噪聲、探測(cè)器噪聲以及示波器或采集卡量化噪聲的影響，因此對(duì)探測(cè)器和儀器有嚴(yán)格要求，通常需要大量平均來(lái)提高系統(tǒng)信噪比，測(cè)量時(shí)間較5IMT-2020(5G)推進(jìn)組在偏振復(fù)用相干光傳輸系統(tǒng)中，不同偏振方向的光場(chǎng)強(qiáng)度大小和相位差可以獨(dú)立變化。基于偏振態(tài)的光纖傳感（SOP）原理為外界擾動(dòng)改變光纖的雙折射，不同偏振分量在經(jīng)過(guò)光纖傳輸后會(huì)各自經(jīng)歷不同的損耗、時(shí)延、色散、非線性等變化，改變各偏振信號(hào)之間的振幅比值和/或相位差，從而改變總偏振態(tài)。基于SOP監(jiān)控的典型方案為偏振光時(shí)域反射（POTDR），可探測(cè)光纖沿線的溫度、振動(dòng)、應(yīng)變、彎曲和扭轉(zhuǎn)等變化。然而常規(guī)光纖POTDR易受多種環(huán)境參量的影響，區(qū)分不同因素對(duì)偏振態(tài)的SOP監(jiān)控適用于對(duì)相干信號(hào)傳輸?shù)墓饫w鏈路進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可針對(duì)線路振動(dòng)、應(yīng)力變化及外力損傷等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和上報(bào)，目前主要應(yīng)用于海底光纜和電力光纜。業(yè)界的研究熱點(diǎn)是利用光收發(fā)器接收端的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)（DSP）分析相干信號(hào)傳輸后的偏振態(tài)變化（以及對(duì)相位、功率等的監(jiān)測(cè)分析），進(jìn)而對(duì)沿線的環(huán)境參量進(jìn)行計(jì)算分析，監(jiān)測(cè)其異常和變化趨勢(shì)。該方案無(wú)需添加額外的傳感設(shè)施，只需借助相干信號(hào)的傳輸和數(shù)字信號(hào)的分析處理，其監(jiān)測(cè)距離不受限制，在不影響組網(wǎng)方案的情光學(xué)干涉利用多路光進(jìn)行干涉從而將相位信息轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度信息進(jìn)行探測(cè)，具有較高的靈敏度。常用的光學(xué)干涉系統(tǒng)有馬赫-澤德干涉儀（MZI）、邁克爾遜干涉儀（MI）、法布里-佩羅干涉儀（FPI）和薩格納克干涉儀（SI）等。光學(xué)干涉儀包含傳輸本振信號(hào)的參考臂和傳輸測(cè)量信號(hào)的探測(cè)臂，完整的光學(xué)干涉?zhèn)鞲邢到y(tǒng)由相干光源、傳感單元、傳感鏈路、光探測(cè)器和解調(diào)系統(tǒng)共同組成。基于光學(xué)6IMT-2020(5G)推進(jìn)組干涉儀的光纖傳感系統(tǒng)可以感知環(huán)境溫度、壓力、振動(dòng)、應(yīng)變、彎曲和扭轉(zhuǎn)等參量變化，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)光纖光柵是使用物理壓制法、駐波法、光刻法、激光寫(xiě)入法等方式使光纖纖芯的折射率發(fā)生軸向周期性調(diào)制而形成的衍射光柵，等效于基于布拉格反射的窄帶濾波器，也稱(chēng)光纖布拉格光柵（FBG）。通過(guò)解調(diào)反射波長(zhǎng)的變化，光纖光柵可對(duì)溫度、應(yīng)變、折射率、濃度等環(huán)境參量進(jìn)行傳隨著光纖傳感在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中的深度應(yīng)用，以及與通信、計(jì)算的交叉融合，其在超長(zhǎng)距離傳感、通信與傳感信號(hào)串?dāng)_、事件模式識(shí)別、組網(wǎng)方案等方面呈現(xiàn)出新的技術(shù)難點(diǎn)與研究熱點(diǎn)，業(yè)界正輸電線路、石油管道、通信光纜等動(dòng)輒上百公里，延長(zhǎng)傳感距離是光纖傳感可廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵之7IMT-2020(5G)推進(jìn)組一。常用的解決方案是光信號(hào)放大，包括基于拉曼光纖放大器（RFA）和遠(yuǎn)程泵浦放大器（ROPA）的放大技術(shù)。RFA具有噪聲指數(shù)低、增益平坦等優(yōu)勢(shì)，包含一階拉曼放大、二階拉曼放大、三階拉曼放由遠(yuǎn)程泵浦單元（RPU）和遠(yuǎn)程增益單元（RGU）共同構(gòu)成。RGU放置于傳輸鏈路的適當(dāng)位置，其增益介質(zhì)為摻鉺光纖，RPU發(fā)送泵浦光經(jīng)光纖后注入RGU，RGU將信號(hào)光與泵浦光目前利用二階拉曼放大實(shí)現(xiàn)的單端最長(zhǎng)傳感距離可達(dá)131km，利用ROPA技術(shù)單端最長(zhǎng)傳感距離可達(dá)208km。一種典型的采用ROPA技術(shù)的超長(zhǎng)跨距分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖4所示，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了通感一體化的實(shí)現(xiàn)，既可以利用運(yùn)營(yíng)商鋪設(shè)的未承載業(yè)務(wù)的“暗光纖”進(jìn)行傳感，也可以在同一光纖中進(jìn)行通信信號(hào)與傳感信號(hào)的共傳，以實(shí)現(xiàn)光纖資源充分利用。基于OTDR技術(shù)的傳感系統(tǒng)通常采用高功率光脈沖，因交叉相位調(diào)制等非線性效應(yīng)影響，傳感信號(hào)與通信信號(hào)共纖傳輸時(shí)會(huì)對(duì)通信信號(hào)產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致誤碼率增加。降低兩種信號(hào)之間的串?dāng)_是實(shí)現(xiàn)通感一體化的難點(diǎn)與關(guān)鍵。降低串?dāng)_的常用解決方案有兩種，如圖5所示，當(dāng)傳感模塊前置時(shí)，降低入纖峰值光功率；當(dāng)傳感模塊后置時(shí)，降低8IMT-2020(5G)推進(jìn)組降低傳感脈沖峰值功率可顯著降低通信與傳感信號(hào)之間的相互干擾，但將導(dǎo)致傳感信號(hào)信噪比降低、傳感距離減小?；谶泵}沖的傳感技術(shù)可解決該問(wèn)題，啁啾脈沖是一種頻率線性調(diào)制的光脈沖，在接收端經(jīng)過(guò)匹配濾波后，啁啾脈沖強(qiáng)度分布呈很窄的sinc型函數(shù)，所獲得的空間分辨率僅與頻率掃描范圍相關(guān)，可打破脈沖寬度與空間分辨率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。采用啁啾脈沖可以在降低脈沖峰值功率的條件下保證傳感脈沖能量、提升傳感信號(hào)信噪比，也可以通過(guò)增加頻率掃描范圍獲得高空間分辨事件模式識(shí)別是指在檢測(cè)出事件后，對(duì)事件發(fā)生類(lèi)型的歸類(lèi)與判定。在不同應(yīng)用場(chǎng)景中，事件識(shí)別的內(nèi)容不盡相同，在光纜運(yùn)維管理場(chǎng)景中，故障點(diǎn)識(shí)別的具體類(lèi)型可包括光纖斷纖、彎折衰耗或接頭反射等；在油氣管網(wǎng)監(jiān)測(cè)場(chǎng)景中，事情識(shí)別可包括挖掘外破、油氣泄露或清管操作等；在周界安防監(jiān)測(cè)場(chǎng)景中，入侵類(lèi)型判定可包括人員入侵、機(jī)械挖掘、車(chē)輛經(jīng)過(guò)或其他干擾等。隨著傳感技術(shù)在各類(lèi)場(chǎng)景中的深度應(yīng)用，事件類(lèi)型的歸類(lèi)與判定需求逐步細(xì)化，對(duì)事件識(shí)別的準(zhǔn)確率、類(lèi)型精細(xì)程度、事件識(shí)別通用性等提出挑戰(zhàn)。例如在實(shí)際應(yīng)用中，復(fù)雜的環(huán)境干擾和人為干擾可能產(chǎn)生系統(tǒng)誤報(bào)，只有準(zhǔn)確識(shí)別出事件類(lèi)型、區(qū)分出有害入侵和無(wú)害干擾，才能及時(shí)有效產(chǎn)生報(bào)警，減少不必要的資源浪9IMT-2020(5G)推進(jìn)組事件模式識(shí)別需要高效算法的支撐，根據(jù)是否需要人工提取信號(hào)特征，可將目前主流的事件識(shí)別模式分為機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)兩類(lèi)。機(jī)器學(xué)習(xí)以多域特征提取與識(shí)別模型探索為主，側(cè)重于研究特定應(yīng)用環(huán)境下幾種目標(biāo)事件的分類(lèi)識(shí)別方法，包括時(shí)域的信號(hào)幅值、水平過(guò)零率、步態(tài)周期性特征等，頻域的FFT譜能量分布特征等，空域的圖像形態(tài)學(xué)特征等，時(shí)頻域的短時(shí)傅里葉變換譜、小波/小波包能量譜、梅爾倒譜（MFCC）特征提取等。通過(guò)在不同維度進(jìn)行特征提取，形成特征向合判斷，再結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）、高斯混合模型（GMM）、支持向量機(jī)（SVM）、隨機(jī)森林（RF）、相關(guān)向量機(jī)（RVM）、極端梯度提升（XG-Boost）等分類(lèi)模型，實(shí)現(xiàn)事件類(lèi)型的識(shí)別，如圖6所示。機(jī)器學(xué)習(xí)具有模型機(jī)理相對(duì)清晰、復(fù)雜度低、識(shí)別實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，但特征提取對(duì)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)和任務(wù)的特異性依賴(lài)度較高，更新速度較難與海量采樣點(diǎn)的變化模式同步，存在場(chǎng)景通用性和泛化能力隨著人工智能、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的發(fā)展和算力的提升，深度學(xué)習(xí)快速發(fā)展。深度學(xué)習(xí)大大減少了對(duì)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)的依賴(lài)，支持從大數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)簡(jiǎn)單特征、并逐漸學(xué)習(xí)到更為復(fù)雜抽象的深層特征，從而自動(dòng)提取特征信息，具有學(xué)習(xí)能力強(qiáng)、泛化能力好、可移植性好等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜事件的實(shí)時(shí)、高IMT-2020(5G)推進(jìn)組準(zhǔn)確率類(lèi)型識(shí)別。深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可通過(guò)誤差反向傳播自適應(yīng)地學(xué)習(xí)出更具可分性的特征提取方法，具有自動(dòng)提取信號(hào)隱藏的可區(qū)分特征和高識(shí)別效果的優(yōu)勢(shì)。相關(guān)算法包括卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)、時(shí)間卷積目前，無(wú)論是基于特征驅(qū)動(dòng)的機(jī)器學(xué)習(xí)還是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的深度學(xué)習(xí)，在光纖傳感事件模式識(shí)別中均取得了很好的效果，已有深度學(xué)習(xí)模型的平均識(shí)別率可需考慮以下三個(gè)方面，一是優(yōu)化智能識(shí)別模型結(jié)構(gòu)，需要研究泛化能力更強(qiáng)、運(yùn)算效率更快、識(shí)別率更高的智能識(shí)別模型，包括深度學(xué)習(xí)、機(jī)器學(xué)習(xí)等；二是提升模式數(shù)據(jù)質(zhì)量，即在基于通感算一體化光網(wǎng)絡(luò)的光纖傳感技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，積累大量?jī)?yōu)質(zhì)模式數(shù)據(jù)，反饋應(yīng)用于智能識(shí)別模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化；三是提升服務(wù)于模式識(shí)別的算力支撐，保障智能模型識(shí)別的實(shí)時(shí)性?；谕ǜ兴阋惑w化光網(wǎng)絡(luò)，可通過(guò)通感算一體化光網(wǎng)絡(luò)在系統(tǒng)層面的研究?jī)?nèi)容包括協(xié)同組網(wǎng)方案、系統(tǒng)接口、資源分配、管控和信號(hào)處理等。其中組網(wǎng)方案的有效設(shè)計(jì)是關(guān)鍵基礎(chǔ)，一方面保證網(wǎng)絡(luò)中傳感和通信信號(hào)融合傳輸、互不目前，業(yè)內(nèi)已經(jīng)初步提出了若干通感算一體化的系統(tǒng)組網(wǎng)方案，如借用空閑的L波段以及OSC波段采用波分復(fù)用方式進(jìn)行協(xié)同組網(wǎng)的分布式聲學(xué)傳感（DAS如圖7所示。由于DAS的傳感距離通常為50~60km，針對(duì)小于50km的短距離通信跨段，可采用反向傳播組網(wǎng)方式，從解復(fù)用端注入傳感脈沖，降低傳感脈沖和通信信號(hào)之間的非線性效應(yīng)；在長(zhǎng)距離跨段中，可采用多個(gè)不同波長(zhǎng)傳輸?shù)腄AS傳感系統(tǒng)分別從兩端進(jìn)行探測(cè)，并在接收端通過(guò)光學(xué)濾波器濾除對(duì)向DAS傳感脈沖，避免相互干擾。在協(xié)同計(jì)算方面，可在DAS傳感節(jié)點(diǎn)部署邊緣計(jì)算單元進(jìn)行本地處理，數(shù)據(jù)壓縮后再上傳至云計(jì)算中心識(shí)IMT-2020(5G)推進(jìn)組香港理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)于2023年提出一種可同時(shí)傳輸通信和傳感信號(hào)的組網(wǎng)架構(gòu)，該方案使用與通信信號(hào)同向傳輸?shù)膶?dǎo)頻和來(lái)自接收側(cè)的本地振蕩器反向傳輸?shù)倪B續(xù)波，使用發(fā)射端光纖干涉法進(jìn)行振動(dòng)傳感，其可行性已在100km的60GBaudPM-16QAM光傳輸系統(tǒng)中得到驗(yàn)證。此外，基于光接入網(wǎng)架構(gòu)，可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)段和傳感應(yīng)用之間的互連情況，設(shè)置合理的傳感結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)通感算一體化功能，例如在無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)的分路器后設(shè)置兩路專(zhuān)用傳感鏈路形成干涉儀，通過(guò)對(duì)分光器干涉信號(hào)進(jìn)行解調(diào)實(shí)現(xiàn)干除了組網(wǎng)方案設(shè)計(jì)外，通感算一體化還需要在系統(tǒng)的統(tǒng)一管控層面進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)北向接口將設(shè)激光器用于向光纖內(nèi)發(fā)射激光，形成特征性的反射光波，以及相干檢測(cè)情形下分出參考光與信號(hào)光進(jìn)行干涉混頻輸出，或用于系統(tǒng)內(nèi)器件及光路的泵浦能量光，實(shí)現(xiàn)光放大或形成受激散射。激光器Φ-OTDR、COTDR技術(shù)的傳感功能基于反射光干涉效應(yīng)，要求光源具有窄線寬、頻率和發(fā)射功率穩(wěn)定等特性，窄線寬條件下干涉效果更好，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的靈敏度更高；頻率和發(fā)射功率穩(wěn)定可保證反射光強(qiáng)參考的一致性，系統(tǒng)噪聲更小。激光器中心波長(zhǎng)通常選擇為1550nm，為光纖的低損耗傳輸窗口。在BOTDR、BOTDA技術(shù)中，考慮布里淵散射增益譜的線寬一般大于30MHz，為不影響探測(cè)精度，激IMT-2020(5G)推進(jìn)組光器線寬需遠(yuǎn)小于布里淵增益譜線寬，但激光器線寬過(guò)窄也會(huì)對(duì)系統(tǒng)引入額外的相位和偏振相干噪綜上，線寬和相位噪聲是激光器的關(guān)鍵性能指標(biāo)。線寬是激光器輸出頻譜的寬度，線寬越窄、激光器的頻率穩(wěn)定性越高，允許探測(cè)的距離越遠(yuǎn)，該指標(biāo)與激光器腔長(zhǎng)、溫度、功率等密切相關(guān)。相位噪聲描述激光相位隨機(jī)起伏，與激光器的線寬成正比線性關(guān)系。相位噪聲越小，激光器的線寬越小，常用于光纖傳感的窄線寬激光器主要包括光纖激光器、半導(dǎo)體激光器兩類(lèi)，典型參數(shù)對(duì)比如表2所示。中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)已提出“通信傳感一體用窄線寬集成激光器組件”行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)建議，將對(duì)相光調(diào)制器用于將激光器發(fā)射的連續(xù)光調(diào)制為脈沖光。對(duì)于光時(shí)域反射型傳感，空間分辨率與調(diào)制的脈沖寬度呈線性關(guān)系，如長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)通常需要約10m的空間分辨率，對(duì)應(yīng)脈沖寬度為100ns量級(jí)，短距離監(jiān)測(cè)時(shí)可能需要小于1m的空間分辨率，典型脈沖寬度要求為10ns以下，脈沖寬度是光調(diào)制器的關(guān)光調(diào)制有直接調(diào)制和間接調(diào)制兩種方式，直接調(diào)制通過(guò)改變激光器的驅(qū)動(dòng)電流等參數(shù)實(shí)現(xiàn)輸出光強(qiáng)度的變化，但激光器振蕩狀態(tài)不連續(xù)，產(chǎn)生的啁啾效應(yīng)使得譜線展寬，從而導(dǎo)致傳感能力下降。光IMT-2020(5G)推進(jìn)組纖傳感應(yīng)用中通常采用間接調(diào)制方式，按物理效應(yīng)的不同又分為半導(dǎo)體光放大器（SOA）、聲光調(diào)制（AOM）、電光調(diào)制（EOM）三種類(lèi)型。其中，SOA的優(yōu)點(diǎn)是可同時(shí)實(shí)現(xiàn)光脈沖的調(diào)制和放大，提光放大器在光纖傳感中用于放大經(jīng)過(guò)調(diào)制的光脈沖，并保持線寬、偏振、波形等性能，足夠的輸出光功率可提供充足的傳感動(dòng)態(tài)范圍和探測(cè)距離。但光脈沖功率過(guò)大，光纖中會(huì)出現(xiàn)自相位調(diào)制等非線性效應(yīng)，造成探測(cè)失真，因此輸出光功率存在上限。常用于光纖傳感的光放大器包含SOA和EDFA，大增益高、偏振不相關(guān)、熔接損耗低等優(yōu)點(diǎn)，工作波段為C波段（1530~1565nm），是光纖傳感領(lǐng)域應(yīng)IMT-2020(5G)推進(jìn)組光纖濾波器用于選擇性地傳遞或抑制某些波長(zhǎng)區(qū)域的光信號(hào)，關(guān)鍵性能指標(biāo)包含中心波長(zhǎng)、帶寬、隔離度、插損、溫度穩(wěn)定性、波長(zhǎng)偏移、反射率等。光纖傳感中多采用窄帶光纖濾波器，主要包光電探測(cè)器用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，主要參數(shù)包括靈敏度、增益、帶寬、響應(yīng)度、共模抑制比、噪聲特性、工作電壓等。其中，靈敏度代表光電探測(cè)器對(duì)光信號(hào)的感知能力，雪崩光電二極管（APD）相對(duì)于普通光電二極管（PD）靈敏度更高，在探測(cè)極微弱光時(shí)，如基于拉曼散射光的ROTDR系統(tǒng)，通常需要采用APD進(jìn)行光電探測(cè)。帶寬指探測(cè)器可感應(yīng)信號(hào)的頻率范圍，帶寬越大，光電探測(cè)器的信號(hào)輸出能力越強(qiáng)。在光纖分布式振動(dòng)傳感（DVS）/DAS系統(tǒng)中，探測(cè)器帶寬是影響系統(tǒng)空間分辨率的重要指標(biāo)。響應(yīng)度為輸出電信號(hào)電流大小與輸入光信號(hào)功率大小之比。共模抑制比是衡量平衡探測(cè)器抑制共模干擾能力的重要指標(biāo)，定義為平衡探測(cè)器對(duì)共模信號(hào)的抑制能力與其對(duì)差分信號(hào)的增），IMT-2020(5G)推進(jìn)組應(yīng)用于光纖傳感的特種光纖包括抗彎曲光纖、保偏光纖、耐高溫光纖、抗輻射光纖、旋轉(zhuǎn)光纖、瑞利散射增強(qiáng)光纖和光纖光柵等?？箯澢饫w彎曲損耗低、機(jī)械強(qiáng)度高，適合小尺寸振動(dòng)環(huán)繞制，應(yīng)用于光纖水聽(tīng)器等場(chǎng)景。保偏光纖可提高相干信噪比，應(yīng)用于光纖陀螺等。耐高溫光纖耐受溫度高達(dá)300℃,抗輻射光纖可減小材料輻致衰減、滿足輻照環(huán)境下的傳感需求，可應(yīng)用于分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)光纖具有圓偏振保持和抗環(huán)境干擾能力，可應(yīng)用于基于法拉第磁光效應(yīng)的光纖電流互感器等。瑞利散射增強(qiáng)光纖通過(guò)摻雜及濃度控制提高光纖的瑞利散射，可應(yīng)用于基于瑞利散射的分布式傳感系統(tǒng)。光纖光柵種類(lèi)繁多，可按不同光學(xué)波段和工作溫度、周期是否均勻、是否具有特異敏感性等進(jìn)行分類(lèi)，單根光纖最多可制作數(shù)萬(wàn)個(gè)光柵，光柵間距可靈活調(diào)整，光柵間無(wú)需焊接、無(wú)接點(diǎn)損耗，IMT-2020(5G)推進(jìn)組隨著業(yè)務(wù)需求的增長(zhǎng)，算網(wǎng)一體與云網(wǎng)融合承載網(wǎng)絡(luò)加速構(gòu)建，推動(dòng)光纜鋪設(shè)區(qū)域和密集度快速增長(zhǎng)。光纜具有纖芯多、分布廣、路由繁雜、可維護(hù)性差等特點(diǎn)，是光網(wǎng)絡(luò)中具有無(wú)源特性的“啞”資源，其運(yùn)維管理存在諸多困難，如監(jiān)測(cè)工作量大（光纜資源日益增多，運(yùn)維人員相對(duì)較少、以人工定期巡檢為主）、故障定位誤差大（現(xiàn)網(wǎng)光纜施工復(fù)雜，布放彎曲、架空和預(yù)留情況普遍，通過(guò)回波曲線進(jìn)行故障定位存在較大誤差，影響運(yùn)維和檢修）、性能監(jiān)控不完善（只掌握衰耗、斷點(diǎn)信息，無(wú)法對(duì)光纜溫度、應(yīng)變等進(jìn)行周期性監(jiān)控）、路由難以查找（實(shí)際維護(hù)中存在光纜線路維修和改造等，導(dǎo)致物理網(wǎng)絡(luò)和邏輯網(wǎng)絡(luò)存在偏差）、無(wú)法實(shí)現(xiàn)主動(dòng)運(yùn)維和完整生命周期監(jiān)控（光纜資源劣化通常為漸變過(guò)程，傳統(tǒng)運(yùn)維手段時(shí)效性較差，且存在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)斷檔或無(wú)法有效統(tǒng)計(jì)等情況）等問(wèn)題。根據(jù)相關(guān)通感算一體化光網(wǎng)絡(luò)或有望解決上述難題，基于光纖傳感技術(shù)可實(shí)現(xiàn)光纜應(yīng)力應(yīng)變、溫度、偏振態(tài)和振動(dòng)等物理參量的精準(zhǔn)檢測(cè)，結(jié)合智能算法和大數(shù)據(jù)技術(shù)可進(jìn)行光纜狀態(tài)的實(shí)時(shí)、低成本采集，光纜在施工、服役過(guò)程中，由于技術(shù)和環(huán)境影響難免存在不良扭轉(zhuǎn)、物理?yè)p壞等情況，需進(jìn)行故障狀態(tài)監(jiān)測(cè)及預(yù)警。早期，ITU-T針對(duì)類(lèi)似需求換方案為主，未對(duì)光網(wǎng)絡(luò)故障的識(shí)別定位進(jìn)行規(guī)定。ITU-TL系列標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)始使用OTDR進(jìn)行PONs故障監(jiān)光傳感技術(shù)的光纜網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護(hù)用的光纜識(shí)別，增強(qiáng)了光纜資源物理層維護(hù)機(jī)制。當(dāng)前階段，通過(guò)通感算一體化技術(shù)，可助力光網(wǎng)絡(luò)在不干擾現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務(wù)的前提下，實(shí)現(xiàn)光纜鏈路劣化和故障監(jiān)測(cè)。光纜故障監(jiān)測(cè)包括故障類(lèi)型識(shí)別、光纜故障定位和光纜故障預(yù)測(cè)等，也可對(duì)光纜本身質(zhì)量變化進(jìn)行周期性多維度監(jiān)測(cè)，獲取光纜衰耗、應(yīng)變、溫度等參數(shù)，結(jié)合相關(guān)算法建立分析模型，通過(guò)設(shè)置參考曲線和盡管光網(wǎng)絡(luò)有邏輯鏈路主備路徑保護(hù)措施，但若主備路徑處于同一物理光纜，斷纖事故造成的業(yè)IMT-2020(5G)推進(jìn)組務(wù)中斷風(fēng)險(xiǎn)將大幅增加?；诠饫w傳感的“同路由檢測(cè)”技術(shù)可實(shí)現(xiàn)光纜管線信息和業(yè)務(wù)路由信息的融合管理。通過(guò)對(duì)強(qiáng)度、偏振態(tài)等特征參數(shù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)采集，構(gòu)建光層數(shù)字化模型，例如光纜的熔接位置、溫度、風(fēng)力、以及附近施工或車(chē)輛經(jīng)過(guò)引發(fā)的振動(dòng)等外界環(huán)境變化，從而可自動(dòng)識(shí)別任意兩條業(yè)務(wù)路由是否全部或部分同纜，如圖8所示。試點(diǎn)表明，光纜“同路由檢測(cè)”AI算法的準(zhǔn)確率高達(dá)90%，且），影響光纜壽命的因素較多，如鋪設(shè)光纜時(shí)殘留的應(yīng)力長(zhǎng)期作用、光纖表面微裂紋的存在和擴(kuò)大、大氣環(huán)境中水和水蒸氣分子對(duì)光纖表面的浸蝕等。例如，當(dāng)光纜持續(xù)受到應(yīng)力影響并達(dá)到一定值時(shí)，會(huì)對(duì)光纜的衰耗等性能、以及光纜壽命造成影響。光纜壽命評(píng)估目前仍在逐步研究完善的過(guò)程中，可根據(jù)微裂紋理論和光纜壽命計(jì)算模型，監(jiān)測(cè)光纜的應(yīng)變和衰耗等參數(shù)，并計(jì)算出光纜的預(yù)估壽命，示例如圖9所示。普通光纜的設(shè)計(jì)壽命通常為20年，當(dāng)預(yù)估壽命較低（如小于5年）時(shí)需開(kāi)展重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，IMT-2020(5G)推進(jìn)組我國(guó)擁有龐大的油氣管網(wǎng)，根據(jù)國(guó)家能源局?jǐn)?shù)據(jù)，到2025年全國(guó)油氣管網(wǎng)規(guī)模將達(dá)到21萬(wàn)公里。油氣管網(wǎng)具有跨度長(zhǎng)、地理地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、多處于野外無(wú)人監(jiān)管區(qū)域等特點(diǎn)，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法較難滿足油氣管道的安全監(jiān)測(cè)需求?；诠饫w傳感技術(shù)，利用油氣管道同溝鋪設(shè)的通信光纜，配合智能分析算隨管道敷設(shè)的通信光纜作為傳感單元，光纖光柵陣列技術(shù)可在管道沿線敷設(shè)光柵陣列光纜作為傳感單元，兩種方案均可在油氣管道中間閥室單端安裝監(jiān)測(cè)設(shè)備，無(wú)需在被監(jiān)測(cè)線路上安裝額外輔助單元。當(dāng)長(zhǎng)輸管道周邊發(fā)生挖掘外破等異常擾動(dòng)時(shí)，振動(dòng)通過(guò)土壤或管道本體傳播至光纜，監(jiān)測(cè)設(shè)備解調(diào)后當(dāng)長(zhǎng)輸管道因外部破壞或管道腐蝕而發(fā)生泄露時(shí)，其管道內(nèi)部物質(zhì)會(huì)流到管道周?chē)慕橘|(zhì)中，改變周?chē)橘|(zhì)的物理屬性，若管道壓力大、泄露流速高，會(huì)引起管道本體或周?chē)橘|(zhì)的振動(dòng)。因此，可采用光纖傳感對(duì)管道的伴隨光纜進(jìn)行溫度、振動(dòng)等參數(shù)的監(jiān)測(cè)，從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中提取管道泄露特征，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)輸管道的泄露監(jiān)測(cè)和定位識(shí)別。此外，還可以利用基于海底光纜的DAS傳感技術(shù)，通過(guò)探測(cè)海底IMT-2020(5G)推進(jìn)組長(zhǎng)輸管道運(yùn)行一段時(shí)間后，管道內(nèi)壁會(huì)結(jié)臘（油管）或銹蝕（氣管），為保障管道的安全運(yùn)行并提升輸運(yùn)效率，需對(duì)管道進(jìn)行內(nèi)檢測(cè)，在內(nèi)檢測(cè)之前需對(duì)管道內(nèi)壁采用不同類(lèi)型的清管器進(jìn)行清理，清管器運(yùn)行時(shí)若產(chǎn)生卡堵將嚴(yán)重影響管道運(yùn)行安全和效率，因此需對(duì)清管器進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤定位。因管道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，清管器在管道內(nèi)運(yùn)行時(shí)易在管道內(nèi)形成規(guī)律的負(fù)壓波傳播，可采用分布式光纖傳感技術(shù)長(zhǎng)輸管道在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中易受外部人為或自然環(huán)境的影響而發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致難以安全穩(wěn)定運(yùn)行。針對(duì)長(zhǎng)輸管道管體結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，可采用分布式光纖傳感設(shè)備對(duì)隨管道敷設(shè)的光纜進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)從“十五”期間啟動(dòng)“西電東送”工程開(kāi)始，我國(guó)電力網(wǎng)絡(luò)高速發(fā)展，輸電線路逐步大通道，電網(wǎng)規(guī)模和輸送容量位居全球首位。輸電線路的穩(wěn)定運(yùn)行易受惡劣天氣如大風(fēng)、雷暴、冰雪災(zāi)害等環(huán)境因素的影響，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)預(yù)警方案主要依靠人工巡檢、電子點(diǎn)式傳感器等方法，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、成本高、安裝維護(hù)難度大和大面積覆蓋困難等問(wèn)題。光纖傳感技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)沿線多種參量的長(zhǎng)距離、實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，相比傳統(tǒng)方法具有響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)、可靠性高和重量輕可微型化等優(yōu)我國(guó)110kV電壓等級(jí)以上的輸電線路基本架設(shè)了光纖復(fù)合架空地線（OPGW），部分線路采用了光纖復(fù)合相線（OPPC），架空線路監(jiān)測(cè)可采用OPGW或OPPC內(nèi)的冗余纖芯作為傳感單元，通過(guò)對(duì)光纖衰減、溫度、應(yīng)變、振動(dòng)和偏振態(tài)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，結(jié)合架空線的結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料以及GIS地理信息等，對(duì)發(fā)生在架空線路上的冰害、風(fēng)害、雷擊、斷股、山火等事件和嚴(yán)重程度進(jìn)行識(shí)別定位，實(shí)時(shí)反圖10為國(guó)家電網(wǎng)某線路基于光迅科技站內(nèi)分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行的覆冰在線監(jiān)測(cè)試點(diǎn)，可IMT-2020(5G)推進(jìn)組基于站內(nèi)分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)OPGW光纜全線逐檔距的風(fēng)速在線測(cè)量，為大風(fēng)區(qū)線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)和運(yùn)維提供參考信息。圖11為使用模型初步分析了某地變電站試點(diǎn)取得的少量樣本數(shù)據(jù)，IMT-2020(5G)推進(jìn)組部分電力線路為地埋電纜，在運(yùn)行過(guò)程中易受到施工等影響造成輸電事故，現(xiàn)有監(jiān)測(cè)技術(shù)多為人工巡檢、攝像頭監(jiān)控等分立式技術(shù)手段，存在監(jiān)測(cè)盲區(qū)、實(shí)時(shí)性差、運(yùn)維難度大等不足。采用分布式光纖傳感技術(shù)，基于已有機(jī)器學(xué)習(xí)算法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)沿線上方人工作業(yè)、機(jī)械施工等振動(dòng)事件進(jìn)行實(shí)時(shí)、分布式監(jiān)測(cè)。圖12展示了鄭州市某地埋線路監(jiān)測(cè)到的機(jī)械施工結(jié)果，對(duì)于持續(xù)作業(yè)事件的檢測(cè)率可達(dá)95%以上。未來(lái)，結(jié)合通感算一體化光網(wǎng)絡(luò)提供算力保障，引入深度學(xué)習(xí)模型優(yōu)化復(fù)雜類(lèi)型模式IMT-2020(5G)推進(jìn)組基于光纖傳感技術(shù)和我國(guó)廣泛覆蓋光通信網(wǎng)絡(luò)，可構(gòu)建一張包含平原、山川、河流、海洋的地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警網(wǎng)。通過(guò)對(duì)光學(xué)信號(hào)的分析和振動(dòng)等參數(shù)檢測(cè)，一方面可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地質(zhì)環(huán)境中的異常變化，提供地震、滑坡、泥石流等早期預(yù)警和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，以便采取適當(dāng)防護(hù)措施；另一方面，可實(shí)時(shí)獲取地質(zhì)參數(shù)的變化情況，如地殼位移、水位變化、巖土結(jié)構(gòu)變形等，輔助評(píng)估結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性。基于光纖傳感技術(shù)的地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)具有較高的抗干擾能力、耐久性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，部分試點(diǎn)和實(shí)2021年，加利福尼亞理工學(xué)院聯(lián)合谷歌完成了基于通信信號(hào)SOP的海底監(jiān)測(cè)，成功感知到多個(gè)海底中大型地震，與相近震中的陸上地震臺(tái)站記錄具有較好的一致性，系統(tǒng)示意如圖13所示。光偏振狀火災(zāi)是威脅公眾安全和社會(huì)發(fā)展的主要災(zāi)害之一，我國(guó)每年因火災(zāi)造成的直接財(cái)產(chǎn)損失高達(dá)幾IMT-2020(5G)推進(jìn)組十億元，且有逐年上升趨勢(shì)。基于光纖傳感技術(shù)的火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新興火災(zāi)監(jiān)測(cè)方案，相對(duì)于傳統(tǒng)方案具有靈敏度高、準(zhǔn)確性高、檢測(cè)精度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)快、抗干擾性強(qiáng)、可線型分布式敷設(shè)等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合隧道、城市綜合管廊、油罐、煤礦、核電站等場(chǎng)景。火災(zāi)監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的光纖傳感主要包括分布式光纖測(cè)溫和光纖光柵測(cè)溫兩種技術(shù)方案，近年來(lái)還出現(xiàn)了融合分立式光纖社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展對(duì)核電站、鐵路沿線、危化品倉(cāng)庫(kù)、軍事基地、政府辦公區(qū)域、重要基建設(shè)施、大型網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)等重要戰(zhàn)略區(qū)域提出了更高安防要求，為有效杜絕關(guān)鍵區(qū)域越界入侵，周界防護(hù)正從物防人防向技防轉(zhuǎn)變?；诠饫w傳感的周界安防系統(tǒng)可以有效克服傳統(tǒng)安防系統(tǒng)存在盲區(qū)、性能劣化、誤報(bào)率高、易遭受雷擊等缺點(diǎn)，具有監(jiān)測(cè)距離長(zhǎng)、無(wú)電磁輻射、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、運(yùn)營(yíng)周界安防光纖傳感技術(shù)主要包括光纖光柵型、散射型和干涉型等方案，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)周界區(qū)域的光學(xué)信號(hào)變化，結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺(jué)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法可分析識(shí)別人員或車(chē)輛的異常行為，如闖入、停留、奔跑等，通過(guò)比對(duì)與正常行為模式的差異，判斷是否存在潛在威脅，并及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施。光纖傳感技術(shù)還可以收集大量的周界監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)高級(jí)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和模式識(shí)別，自動(dòng)學(xué)習(xí)優(yōu)化，提供更面向通感算一體化的光纖傳感技術(shù)的重要載體之一是海纜，其典型應(yīng)