面向通感算一體化光網(wǎng)絡(luò)的光纖傳感技術(shù)-2023.09

IMT-2020(5G)推進組面向通感算一體化光網(wǎng)絡(luò)的光纖傳感技術(shù)白皮書目錄引言P1P2技術(shù)方案與關(guān)鍵器件典型應(yīng)用場景產(chǎn)品化能力總結(jié)與展望主要貢獻單位P16P24P26P27IMT-2020(5G)推進組于2013年2月由中國工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展和改革委員會、科學技術(shù)部聯(lián)合推動成立，組織架構(gòu)基于原IMT-Advanced推進組，成員包括中國主要的運營商、制造商、高校和研究機構(gòu)。推進組是聚合中國產(chǎn)學研用力量、推動中國第五代移動通信技術(shù)研究和開展國際交流與合作的主要平臺。IMT-2020(5G)推進組面向通感算一體化光網(wǎng)絡(luò)的光纖傳感技術(shù)白皮書引言5G/5G-A的快速發(fā)展催生各種新應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，未來6G還將提供更加豐富的業(yè)務(wù)體驗，僅具備光通信屬性的承載網(wǎng)絡(luò)已不能滿足應(yīng)用需求，通信、感知與算力等多系統(tǒng)的深度融合成為技術(shù)發(fā)展新趨勢。光纖是光通信網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)年P(guān)鍵介質(zhì)，鋪設(shè)區(qū)域和密集度快速增長，根據(jù)工信部統(tǒng)計，截至2023年6月底我國光纜線路總長度已達6196萬公里。光纖除構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)外，同時具備溫度、應(yīng)力、折射率、振動、磁場和電場等多參量的狀態(tài)感知能力，將光纖傳感與光通信相結(jié)合，可實現(xiàn)大規(guī)模、高密度的通感一體化光網(wǎng)絡(luò)。同時，基于本地計算獨立感知的傳感系統(tǒng)已逐漸無法支撐各類新型應(yīng)用對感知的極致需求，光通信網(wǎng)絡(luò)具有高帶寬、長距離、低時延和高可靠的數(shù)據(jù)傳輸能力，可有效輔助實現(xiàn)多節(jié)點協(xié)作感知，拓寬感知廣度。另一方面，光通信網(wǎng)絡(luò)也是算力基礎(chǔ)設(shè)施的承載底座，海量感知數(shù)據(jù)可通過光通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至廣泛分布的多級算力節(jié)點，結(jié)合人工智能等技術(shù)進行定制化特征抽取、深度計算、智能識別與信息融合，從而形成大帶寬低時延通信、實時狀態(tài)感知、按需調(diào)度算力的通感算一體化高效協(xié)同、互惠增強的光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系。光纖傳感作為感知層核心技術(shù)，是實現(xiàn)通感算一體化光網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)與關(guān)鍵，逐步成為業(yè)界關(guān)注的焦點。本白皮書聚焦面向通感算一體化的光纖傳感技術(shù)方案、核心器件、應(yīng)用場景和產(chǎn)品化能力等基礎(chǔ)共性問題開展研究，并針對性提出后續(xù)發(fā)展建議，推動面向通感算一體化光網(wǎng)絡(luò)的光纖傳感技術(shù)產(chǎn)業(yè)有序演進，支撐我國信息通信基礎(chǔ)設(shè)施高質(zhì)量發(fā)展。1IMT-2020(5G)推進組面向通感算一體化光網(wǎng)絡(luò)的光纖傳感技術(shù)白皮書技術(shù)方案與關(guān)鍵器件2.1

技術(shù)原理（1）基于光纖散射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（非彈性散射）。基于光纖瑞利散射的傳感技術(shù)稱為光時域反射（OTDR）。由于光纖局部密度和成分的隨機起伏，光在傳播時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，因此可通過接收到的瑞利散射光功率來判斷光纖的衰減特性，同時根據(jù)接收到散射光的時間來確定光纖損耗或斷點位置，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1（A）所示。OTDR結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟，但存在測量距離和空間分辨率之間的矛盾，需根據(jù)實際需求選擇合適的脈寬進行取舍。目前OTDR商用產(chǎn)品已較為成熟，高精度、大動態(tài)范圍方面仍在持續(xù)探索。除傳統(tǒng)OTDR之外，還衍生出相位型OTDR（Φ-OTDR）和偏振型OTDR（POTDR）。Φ-OTDR使用超窄線寬激光器調(diào)制的脈沖光進行探測，利用瑞利散射光之間的多徑干涉效應(yīng)，通過解調(diào)散射信號的強度和相位實現(xiàn)分布式振動定位，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1（B）所示。Φ-OTDR的靈敏度較高，能夠監(jiān)測微弱振動信號，還可解調(diào)準確恢復(fù)外界振動信號波形，但在實際應(yīng)用中容易受到外界環(huán)境干擾，存在誤報率高的問題，需結(jié)合模式識別等算法提升準確率。POTDR在光源后和接收端分別放置起偏器和檢偏器，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光纖鏈路的擾動，對溫度、振動、應(yīng)變、彎曲和扭轉(zhuǎn)等變化均較為敏感。2IMT-2020(5G)推進組面向通感算一體化光網(wǎng)絡(luò)的光纖傳感技術(shù)白皮書圖1

基于瑞利散射原理的分布式傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖OTDR技術(shù)類似于脈沖激光雷達，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，但同時降低了回波信號信噪比，限制檢測距離。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，一路作為探測光注入待測光纖，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本地的時間不同，以及與本地光干涉形成射頻信號的頻率不同，可在頻域上進行位置的區(qū)分。OFDR技術(shù)在光頻域上對獲得的拍頻信號進行處理，其空間分辨率主要取決于調(diào)制信號的掃頻范圍，可達到厘米級甚至毫米級，因此更適用于高空間分辨率場景的應(yīng)用。此外，系統(tǒng)的動態(tài)范圍同時取決于空間分辨率和探測光的持續(xù)時間，可通過增加探測光時長來改善系統(tǒng)動態(tài)范圍特性，從而同時獲得高測量靈敏度和高空間分辨率。限制OFDR實現(xiàn)長距離和高空間分辨率測量的主要因素是激光器的線寬及掃頻的非線性，需合理選擇激光器及其調(diào)制方案。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，通過吸收或釋放聲子使散射光相對于入射光發(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，再通過判斷布里淵散射譜的頻移來解調(diào)溫度或應(yīng)變等參量信息。BOTDR可在數(shù)十公里距離內(nèi)分布式測量應(yīng)變和溫度，已取得廣泛應(yīng)用，但由于光纖中的自發(fā)布里淵散射（SpBS）效率較低，一般需使用相干探測將本振光與布里淵散射信號拍頻實現(xiàn)信號放大，以提升空間分辨率和精度。此外，還可通過在光纖另一端打入與泵浦脈沖光對向傳輸且頻率差位于布里淵增益譜內(nèi)的連續(xù)探測光，以激發(fā)受激布里淵散射（SBS）提高信號3IMT-2020(5G)推進組面向通感算一體化光網(wǎng)絡(luò)的光纖傳感技術(shù)白皮書強度，從而進一步拓展傳感距離，稱為布里淵時域分析（BOTDA），如圖2（B）所示。BOTDA要求泵浦脈沖與探測光對向傳輸，在長距離傳感中（>100km）常使用單光源的環(huán)路結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致傳感距離受限。BOTDA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，目前商用程度較低。圖2

基于布里淵散射原理的分布式傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖除BOTDR和BOTDA外，還有結(jié)合布里淵散射和光學相關(guān)的布里淵光相關(guān)域分析（BOCDA）技術(shù)，對反向傳播的泵浦光和探測光同步實施正弦頻率調(diào)制，測量兩束光干涉時沿光纖激發(fā)產(chǎn)生的周期性相關(guān)峰，其測量范圍受限于相鄰相關(guān)峰間隔，而其有效傳感點數(shù)為傳感距離與空間分辨率的比值，由光源的調(diào)制幅度決定。BOCDA的空間分辨率可達厘米甚至毫米量級，但針對分布式測量的掃描耗時較長，且周期性的相關(guān)峰導(dǎo)致傳感距離受限，影響其工程實用。另

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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度對溫度非常敏感，而斯托克斯光強對溫度不敏感，據(jù)此可以通過測量入射端監(jiān)測散射回來的反斯托克斯與斯托克斯光的比值，實現(xiàn)光纖沿線的溫度測量，其裝置與BOTDR類似（如圖3所示）。ROTDR的缺點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、探測器噪聲以及示波器或采集卡量化噪聲的影響，因此對探測器和儀器有嚴格要求，通常需要大量平均來提高系統(tǒng)信噪比，測量時間較長。目前，ROTDR常結(jié)合光脈沖編碼技術(shù)來提高檢測精度和傳感距離。4IMT-2020(5G)推進組面向通感算一體化光網(wǎng)絡(luò)的光纖傳感技術(shù)白皮書圖3

基于拉曼散射原理的分布式傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖（2）基于SOP監(jiān)控在偏振復(fù)用相干光傳輸系統(tǒng)中，不同偏振方向的光場強度大小和相位差可以獨立變化?；谄駪B(tài)的光纖傳感（SOP）原理為外界擾動改變光纖的雙折射，不同偏振分量在經(jīng)過光纖傳輸后會各自經(jīng)歷不同的損耗、時延、色散、非線性等變化，改變各偏振信號之間的振幅比值和/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域反射（POTDR），可探測光纖沿線的溫度、振動、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)分不同因素對偏振態(tài)的影響是POTDR技術(shù)面臨的重要問題。SOP監(jiān)控適用于對相干信號傳輸?shù)墓饫w鏈路進行監(jiān)測，可針對線路振動、應(yīng)力變化及外力損傷等進行實時監(jiān)測和上報，目前主要應(yīng)用于海底光纜和電力光纜。業(yè)界的研究熱點是利用光收發(fā)器接收端的數(shù)字信號處理技術(shù)（DSP）分析相干信號傳輸后的偏振態(tài)變化（以及對相位、功率等的監(jiān)測分析），進而對沿線的環(huán)境參量進行計算分析，監(jiān)測其異常和變化趨勢。該方案無需添加額外的傳感設(shè)施，只需借助相干信號的傳輸和數(shù)字信號的分析處理，其監(jiān)測距離不受限制，在不影響組網(wǎng)方案的情況下即可靈活監(jiān)測光纖鏈路的環(huán)境參量，具有成本低廉、應(yīng)用靈活、便于拓展和大規(guī)模應(yīng)用等優(yōu)勢。（3）基于光學干涉光學干涉利用多路光進行干涉從而將相位信息轉(zhuǎn)換為強度信息進行探測，具有較高的靈敏度。常用的光學干涉系統(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。光學干涉儀包含傳輸本振信號的參考臂和傳輸測量信號的探測臂，完整的光學干涉?zhèn)鞲邢到y(tǒng)由相干光源、傳感單元、傳感鏈路、光探測器和解調(diào)系統(tǒng)共同組成?；诠鈱W5IMT-2020(5G)推進組面向通感算一體化光網(wǎng)絡(luò)的光纖傳感技術(shù)白皮書干涉儀的光纖傳感系統(tǒng)可以感知環(huán)境溫度、壓力、振動、應(yīng)變、彎曲和扭轉(zhuǎn)等參量變化，具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、成本低等諸多優(yōu)點。（4）基于光纖光柵光纖光柵是使用物理壓制法、駐波法、光刻法、激光寫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，也稱光纖布拉格光柵（FBG）。通過解調(diào)反射波長的變化，光纖光柵可對溫度、應(yīng)變、折射率、濃度等環(huán)境參量進行傳感，具有體積小、熔接損耗低、光纖兼容性好、可嵌入式功能擴展、可陣列組網(wǎng)等優(yōu)點。表1對上述光纖傳感技術(shù)原理進行了匯總。表1

光纖傳感技術(shù)原理2.2

技術(shù)難點隨著光纖傳感在眾多應(yīng)用場景中的深度應(yīng)用，以及與通信、計算的交叉融合，其在超長距離傳感、通信與傳感信號串擾、事件模式識別、組網(wǎng)方案等方面呈現(xiàn)出新的技術(shù)難點與研究熱點，業(yè)界正在積極探索相關(guān)解決方案。（1）超長傳感距離輸電線路、石油管道、通信光纜等動輒上百公里，延長傳感距離是光纖傳感可廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵之6IMT-2020(5G)推進組面向通感算一體化光網(wǎng)絡(luò)的光纖傳感技術(shù)白皮書一。常用的解決方案是光信號放大，包括基于拉曼光纖放大器（RFA）和遠程泵浦放大器（ROPA）的放大技術(shù)。RFA具有噪聲指數(shù)低、增益平坦等優(yōu)勢，包含一階拉曼放大、二階拉曼放大、三階拉曼放大、混合分區(qū)放大、反向布里淵放大等機制。ROPA技術(shù)是摻餌光纖放大器（EDFA）與RFA的結(jié)合，由遠程泵浦單元（RPU）和遠程增益單元（RGU）共同構(gòu)成。RGU放置于傳輸鏈路的適當位置，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將信號光與泵浦光耦合實現(xiàn)對信號光的無中繼放大。目前利用二階拉曼放大實現(xiàn)的單端最長傳感距離可達131km，利用ROPA技術(shù)單端最長傳感距離可達208km。一種典型的采用ROPA技術(shù)的超長跨距分布式光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)如圖4所示，系統(tǒng)實現(xiàn)了Φ-OTDR/BOTDR融合監(jiān)測的單端208km傳感距離。圖4

基于ROPA的超長距傳感系統(tǒng)（2）傳感與通信信號低串擾通感一體化的實現(xiàn)，既可以利用運營商鋪設(shè)的未承載業(yè)務(wù)的“暗光纖”進行傳感，也可以在同一光纖中進行通信信號與傳感信號的共傳，以實現(xiàn)光纖資源充分利用?；贠TDR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，傳感信號與通信信號共纖傳輸時會對通信信號產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致誤碼率增加。降低兩種信號之間的串擾是實現(xiàn)通感一體化的難點與關(guān)鍵。降低串擾的常用解決方案有兩種，如圖5所示，當傳感模塊前置時，降低入纖峰值光功率；當傳感模塊后置時，降低7IMT-2020(5G)推進組面向通感算一體化光網(wǎng)絡(luò)的光纖傳感技術(shù)白皮書相同方向傳感與通信信號的波長串擾。圖5

傳感模塊在系統(tǒng)中的位置示意圖降低傳感脈沖峰值功率可顯著降低通信與傳感信號之間的相互干擾，但將導(dǎo)致傳感信號信噪比降低、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)過匹配濾波后，啁啾脈沖強度分布呈很窄的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、提升傳感信號信噪比，也可以通過增加頻率掃描范圍獲得高空間分辨率，從而實現(xiàn)與通信信號共纖傳輸。（3）事件模式識別算法事件模式識別是指在檢測出事件后，對事件發(fā)生類型的歸類與判定。在不同應(yīng)用場景中，事件識別的內(nèi)容不盡相同，在光纜運維管理場景中，故障點識別的具體類型可包括光纖斷纖、彎折衰耗或接頭反射等；在油氣管網(wǎng)監(jiān)測場景中，事情識別可包括挖掘外破、油氣泄露或清管操作等；在周界安防監(jiān)測場景中，入侵類型判定可包括人員入侵、機械挖掘、車輛經(jīng)過或其他干擾等。隨著傳感技術(shù)在各類場景中的深度應(yīng)用，事件類型的歸類與判定需求逐步細化，對事件識別的準確率、類型精細程度、事件識別通用性等提出挑戰(zhàn)。例如在實際應(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，只有準確識別出事件類型、區(qū)分出有害入侵和無害干擾，才能及時有效產(chǎn)生報警，減少不必要的資源浪8IMT-2020(5G)推進組面向通感算一體化光網(wǎng)絡(luò)的光纖傳感技術(shù)白皮書費，并避免災(zāi)難性事故的發(fā)生。事件模式識別需要高效算法的支撐，根據(jù)是否需要人工提取信號特征，可將目前主流的事件識別模式分為機器學習和深度學習兩類。機器學習以多域特征提取與識別模型探索為主，側(cè)重于研究特定應(yīng)用環(huán)境下幾種目標事件的分類識別方法，包括時域的信號幅值、水平過零率、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)學特征等，時頻域的短時傅里葉變換譜、小波/小波包能量譜、梅爾倒譜（MFCC）特征提取等。通過在不同維度進行特征提取，形成特征向量及多域特征綜合判斷，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（SVM）、隨機森林（RF）、相關(guān)向量機（RVM）、極端梯度提升（XG-Boost）等分類模型，實現(xiàn)事件類型的識別，如圖6所示。機器學習具有模型機理相對清晰、復(fù)雜度低、識別實時性好等優(yōu)點，但特征提取對專家經(jīng)驗和任務(wù)的特異性依賴度較高，更新速度較難與海量采樣點的變化模式同步，存在場景通用性和泛化能力差、識別準確率偏低等問題。圖6

傳統(tǒng)機器學習模式識別分類算法隨著人工智能、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的發(fā)展和算力的提升，深度學習快速發(fā)展。深度學習大大減少了對專家經(jīng)驗的依賴，支持從大數(shù)據(jù)中學習簡單特征、并逐漸學習到更為復(fù)雜抽象的深層特征，從而自動提取特征信息，具有學習能力強、泛化能力好、可移植性好等優(yōu)點，可實現(xiàn)對復(fù)雜事件的實時、高9IMT-2020(5G)推進組面向通感算一體化光網(wǎng)絡(luò)的光纖傳感技術(shù)白皮書準確率類型識別。深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可通過誤差反向傳播自適應(yīng)地學習出更具可分性的特征提取方法，具有自動提取信號隱藏的可區(qū)分特征和高識別效果的優(yōu)勢。相關(guān)算法包括卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)、時間卷積網(wǎng)絡(luò)

(TCN)、長短期記憶

(LSTM)、生成對抗網(wǎng)絡(luò)

(GAN)、深度強化學習（RL）等。深度學習應(yīng)用于光纖傳感，需要大量模式數(shù)據(jù)進行驅(qū)動，以及強大的算力支持以保證模型的實時性。目前，無論是基于特征驅(qū)動的機器學習還是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的深度學習，在光纖傳感事件模式識別中均取得了很好的效果，已有深度學習模型的平均識別率可達95%以上。事件模式識別率的進一步提升需考慮以下三個方面，一是優(yōu)化智能識別模型結(jié)構(gòu)，需要研究泛化能力更強、運算效率更快、識別率更高的智能識別模型，包括深度學習、機器學習等；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)用過程中，積累大量優(yōu)質(zhì)模式數(shù)據(jù)，反饋應(yīng)用于智能識別模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化；三是提升服務(wù)于模式識別的算力支撐，保障智能模型識別的實時性。基于通感算一體化光網(wǎng)絡(luò)，可通過光通信網(wǎng)絡(luò)和算力資源解決基于智能識別模型的實時計算問題，實現(xiàn)性能與成本的平衡。（4）組網(wǎng)技術(shù)方案通感算一體化光網(wǎng)絡(luò)在系統(tǒng)層面的研究內(nèi)容包括協(xié)同組網(wǎng)方案、系統(tǒng)接口、資源分配、管控和信號處理等。其中組網(wǎng)方案的有效設(shè)計是關(guān)鍵基礎(chǔ)，一方面保證網(wǎng)絡(luò)中傳感和通信信號融合傳輸、互不干擾；另一方面協(xié)同光通信網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)字信號處理或算力資源來增強光纖傳感的性能。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)用方式進行協(xié)同組網(wǎng)的分布式聲學傳感（DAS），如圖7所示。由于DAS的傳感距離通常為50~60km，針對小于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之間的非線性效應(yīng)；在長距離跨段中，可采用多個不同波長傳輸?shù)腄AS傳感系統(tǒng)分別從兩端進行探測，并在接收端通過光學濾波器濾除對向DAS傳感脈沖，避免相互干擾。在協(xié)同計算方面，可在DAS傳感節(jié)點部署邊緣計算單元進行本地處理，數(shù)據(jù)壓縮后再上傳至云計算中心識別判定，以應(yīng)對DAS傳感系統(tǒng)海量原始數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡(luò)帶寬的占用。10IMT-2020(5G)推進組面向通感算一體化光網(wǎng)絡(luò)的光纖傳感技術(shù)白皮書圖7

基于波分復(fù)用的傳感通信協(xié)同組網(wǎng)方案（A）短距（B）長距香港理工大學研究團隊于2023年提出一種可同時傳輸通信和傳感信號的組網(wǎng)架構(gòu)，該方案使用與通信信號同向傳輸?shù)膶?dǎo)頻和來自接收側(cè)的本地振蕩器反向傳輸?shù)倪B續(xù)波，使用發(fā)射端光纖干涉法進行振動傳感，其可行性已在100km的60GBaud

PM-16QAM光傳輸系統(tǒng)中得到驗證。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)實現(xiàn)通感算一體化功能，例如在無源光網(wǎng)絡(luò)的分路器后設(shè)置兩路專用傳感鏈路形成干涉儀，通過對分光器干涉信號進行解調(diào)實現(xiàn)干涉?zhèn)鞲泄δ?。在考慮技術(shù)可行性的同時，組網(wǎng)方案的設(shè)計還需綜合兼顧系統(tǒng)代價、鏈路預(yù)算等多方因素。除了組網(wǎng)方案設(shè)計外，通感算一體化還需要在系統(tǒng)的統(tǒng)一管控層面進行設(shè)計，通過北向接口將設(shè)備管理的硬件與網(wǎng)管系統(tǒng)對接，實現(xiàn)感知和通信數(shù)據(jù)的上報。2.3

關(guān)鍵器件（1）激光器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，以及相干檢測情形下分出參考光與信號光進行干涉混頻輸出，或用于系統(tǒng)內(nèi)器件及光路的泵浦能量光，實現(xiàn)光放大或形成受激散射。激光器可作為種子光源，結(jié)合調(diào)制器、放大器等共同形成探測脈沖。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)定可保證反射光強參考的一致性，系統(tǒng)噪聲更小。激光器中心波長通常選擇為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，為不影響探測精度，激11IMT-2020(5G)推進組面向通感算一體化光網(wǎng)絡(luò)的光纖傳感技術(shù)白皮書光器線寬需遠小于布里淵增益譜線寬，但激光器線寬過窄也會對系統(tǒng)引入額外的相位和偏振相干噪聲，綜合兩方面因素，激光器線寬為kHz量級時系統(tǒng)具備較好的信噪比。同時，BOTDR、BOTDA也要求激光器具有良好的頻率穩(wěn)定性，避免引起布里淵頻譜參考點的移動。綜上，線寬和相位噪聲是激光器的關(guān)鍵性能指標。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，允許探測的距離越遠，該指標與激光器腔長、溫度、功率等密切相關(guān)。相位噪聲描述激光相位隨機起伏，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，相干性越強。除了影響激光線寬外，相位噪聲會造成多徑干涉，影響系統(tǒng)的信噪比。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，典型參數(shù)對比如表2所示。中國通信標準化協(xié)會已提出“通信傳感一體用窄線寬集成激光器組件”行業(yè)標準立項建議，將對相關(guān)參數(shù)進行詳細規(guī)范。表2

窄線寬激光器典型參數(shù)對比（2）光調(diào)制器光調(diào)制器用于將激光器發(fā)射的連續(xù)光調(diào)制為脈沖光。對于光時域反射型傳感，空間分辨率與調(diào)制的脈沖寬度呈線性關(guān)系，如長距離監(jiān)測通常需要約10m的空間分辨率，對應(yīng)脈沖寬度為100ns量級，短距離監(jiān)測時可能需要小于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)鍵參數(shù)之一。光調(diào)制有直接調(diào)制和間接調(diào)制兩種方式，直接調(diào)制通過改變激光器的驅(qū)動電流等參數(shù)實現(xiàn)輸出光強度的變化，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12IMT-2020(5G)推進組面向通感算一體化光網(wǎng)絡(luò)的光纖傳感技術(shù)白皮書纖傳感應(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）三種類型。其中，SOA的優(yōu)點是可同時實現(xiàn)光脈沖的調(diào)制和放大，提供無損耗、高消光比和無偏振旋轉(zhuǎn)的調(diào)制方案；AOM的優(yōu)點是消光比高、溫度穩(wěn)定性和環(huán)境適用性好；EOM具有傳輸損耗低、調(diào)制帶寬大、工作頻率高等優(yōu)點。三種間接調(diào)制方案的典型參數(shù)對比如表3所示。表3

光調(diào)制器典型參數(shù)對比（3）光放大器光放大器在光纖傳感中用于放大經(jīng)過調(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態(tài)范圍和探測距離。但光脈沖功率過大，光纖中會出現(xiàn)自相位調(diào)制等非線性效應(yīng)，造成探測失真，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，典型參數(shù)對比如表4所示。SOA具有體積小、壽命長、波段寬等優(yōu)點，支持O波段（1260~1360nm）、C波段（1530~1565nm）等多波段光放大，可用于光發(fā)射的功放、接收端前放和光開關(guān)等；EDFA具備放大增益高、偏振不相關(guān)、熔接損耗低等優(yōu)點，工作波段為C波段（1530~1565nm），是光纖傳感領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的放大器。表4

光放大器典型參數(shù)對比13IMT-2020(5G)推進組面向通感算一體化光網(wǎng)絡(luò)的光纖傳感技術(shù)白皮書（4）光纖濾波器光纖濾波器用于選擇性地傳遞或抑制某些波長區(qū)域的光信號，關(guān)鍵性能指標包含中心波長、帶寬、隔離度、插損、溫度穩(wěn)定性、波長偏移、反射率等。光纖傳感中多采用窄帶光纖濾波器，主要包括光纖布拉格光柵型和介質(zhì)膜（BPF）型等，典型參數(shù)對比如表5所示。表5

窄帶光纖濾波器典型參數(shù)對比（5）光電探測器光電探測器用于將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，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器對光信號的感知能力，雪崩光電二極管（APD）相對于普通光電二極管（PD）靈敏度更高，在探測極微弱光時，如基于拉曼散射光的ROTDR系統(tǒng)，通常需要采用APD進行光電探測。帶寬指探測器可感應(yīng)信號的頻率范圍，帶寬越大，光電探測器的信號輸出能力越強。在光纖分布式振動傳感（DVS）/DAS系統(tǒng)中，探測器帶寬是影響系統(tǒng)空間分辨率的重要指標。響應(yīng)度為輸出電信號電流大小與輸入光信號功率大小之比。共模抑制比是衡量平衡探測器抑制共模干擾能力的重要指標，定義為平衡探測器對共模信號的抑制能力與其對差分信號的增益之比，共模抑制比越高、抗干擾能力越強。光纖傳感常用的光電探測器包括PD、APD、平衡光電探測器（BPD），典型參數(shù)對比見表6。14IMT-2020(5G)推進組面向通感算一體化光網(wǎng)絡(luò)的光纖傳感技術(shù)白皮書表6

光電探測器典型參數(shù)對比（6）特種光纖應(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、瑞利散射增強光纖和光纖光柵等?？箯澢饫w彎曲損耗低、機械強度高，適合小尺寸振動環(huán)繞制，應(yīng)用于光纖水聽器等場景。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。瑞利散射增強光纖通過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)。光纖光柵種類繁多，可按不同光學波段和工作溫度、周期是否均勻、是否具有特異敏感性等進行分類，單根光纖最多可制作數(shù)萬個光柵，光柵間距可靈活調(diào)整，光柵間無需焊接、無接點損耗，可實現(xiàn)厘米級高精度感知、米級空間定位和公里級長度覆蓋。15IMT-2020(5G)推進組面向通感算一體化光網(wǎng)絡(luò)的光纖傳感技術(shù)白皮書典型應(yīng)用場景3.1

光纜運維管理隨著業(yè)務(wù)需求的增長，算網(wǎng)一體與云網(wǎng)融合承載網(wǎng)絡(luò)加速構(gòu)建，推動光纜鋪設(shè)區(qū)域和密集度快速增長。光纜具有纖芯多、分布廣、路由繁雜、可維護性差等特點，是光網(wǎng)絡(luò)中具有無源特性的“啞”資源，其運維管理存在諸多困難，如監(jiān)測工作量大（光纜資源日益增多，運維人員相對較少、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，通過回波曲線進行故障定位存在較大誤差，影響運維和檢修）、性能監(jiān)控不完善（只掌握衰耗、斷點信息，無法對光纜溫度、應(yīng)變等進行周期性監(jiān)控）、路由難以查找（實際維護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）、無法實現(xiàn)主動運維和完整生命周期監(jiān)控（光纜資源劣化通常為漸變過程，傳統(tǒng)運維手段時效性較差，且存在數(shù)據(jù)統(tǒng)計斷檔或無法有效統(tǒng)計等情況）等問題。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，85%以上網(wǎng)絡(luò)不可用事件均由光纜故障造成，對經(jīng)濟社會生活造成了較大損失。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)可實現(xiàn)光纜應(yīng)力應(yīng)變、溫度、偏振態(tài)和振動等物理參量的精準檢測，結(jié)合智能算法和大數(shù)據(jù)技術(shù)可進行光纜狀態(tài)的實時、低成本采集，化被動巡檢為主動感知，提高運維管理效率和靈活性，實現(xiàn)數(shù)字化、智能化監(jiān)測運維。典型應(yīng)用如下：（1）光纜故障監(jiān)測預(yù)警光纜在施工、服役過程中，由于技術(shù)和環(huán)境影響難免存在不良扭轉(zhuǎn)、物理損壞等情況，需進行故障狀態(tài)監(jiān)測及預(yù)警。早期，ITU-T針對類似需求制定了G.983.5、G.984.1標準，但以冗余備份和保護切換方案為主，未對光網(wǎng)絡(luò)故障的識別定位進行規(guī)定。ITU-T

L系列標準開始使用OTDR進行PONs故障監(jiān)測，ITU

L.66（2007）標準預(yù)留了U波段（1625-1675

nm）用于維護；ITU-T

L.316（2022）規(guī)范了基于光傳感技術(shù)的光纜網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護用的光纜識別，增強了光纜資源物理層維護機制。當前階段，通過通感算一體化技術(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，實現(xiàn)光纜鏈路劣化和故障監(jiān)測。光纜故障監(jiān)測包括故障類型識別、光纜故障定位和光纜故障預(yù)測等，也可對光纜本身質(zhì)量變化進行周期性多維度監(jiān)測，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，通過設(shè)置參考曲線和閾值，對超過閾值的位置點、光纜斷點等進行判決預(yù)警。（2）光纜路由檢測與資源可視化盡管光網(wǎng)絡(luò)有邏輯鏈路主備路徑保護措施，但若主備路徑處于同一物理光纜，斷纖事故造成的業(yè)16IMT-2020(5G)推進組面向通感算一體化光網(wǎng)絡(luò)的光纖傳感技術(shù)白皮書務(wù)中斷風險將大幅增加。基于光纖傳感的“同路由檢測”技術(shù)可實現(xiàn)光纜管線信息和業(yè)務(wù)路由信息的融合管理。通過對強度、偏振態(tài)等特征參數(shù)進行大數(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、風力、以及附近施工或車輛經(jīng)過引發(fā)的振動等外界環(huán)境變化，從而可自動識別任意兩條業(yè)務(wù)路由是否全部或部分同纜，如圖8所示。試點表明，光纜“同路由檢測”AI算法的準確率高達90%，且檢測過程對業(yè)務(wù)性能無影響?！巴酚蓹z測”技術(shù)進一步結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS），可繪制出光纜資源的電子地圖，實現(xiàn)光纜資源可視化管理。圖8

光纜路由檢測示意（3）光纜壽命監(jiān)測預(yù)警影響光纜壽命的因素較多，如鋪設(shè)光纜時殘留的應(yīng)力長期作用、光纖表面微裂紋的存在和擴大、大氣環(huán)境中水和水蒸氣分子對光纖表面的浸蝕等。例如，當光纜持續(xù)受到應(yīng)力影響并達到一定值時，會對光纜的衰耗等性能、以及光纜壽命造成影響。光纜壽命評估目前仍在逐步研究完善的過程中，可根據(jù)微裂紋理論和光纜壽命計算模型，監(jiān)測光纜的應(yīng)變和衰耗等參數(shù)，并計算出光纜的預(yù)估壽命，示例如圖9所示。普通光纜的設(shè)計壽命通常為20年，當預(yù)估壽命較低（如小于5年）時需開展重點監(jiān)測，必要時考慮重建。17IMT-2020(5G)推進組面向通感算一體化光網(wǎng)絡(luò)的光纖傳感技術(shù)白皮書圖9

光纜質(zhì)量評分以及壽命預(yù)測示例3.2

油氣管網(wǎng)監(jiān)測我國擁有龐大的油氣管網(wǎng)，根據(jù)國家能源局數(shù)據(jù)，到2025年全國油氣管網(wǎng)規(guī)模將達到21萬公里。油氣管網(wǎng)具有跨度長、地理地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、多處于野外無人監(jiān)管區(qū)域等特點，傳統(tǒng)監(jiān)測方法較難滿足油氣管道的安全監(jiān)測需求?；诠饫w傳感技術(shù)，利用油氣管道同溝鋪設(shè)的通信光纜，配合智能分析算法，可實現(xiàn)長距離、高空間分辨率、多參數(shù)測量的長輸管道實時監(jiān)測。（1）防挖掘外破監(jiān)測預(yù)警DVS/DAS、光纖光柵陣列等技術(shù)可對管道周圍振動進行分布式監(jiān)測。其中，DVS/DAS方案可采用隨管道敷設(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)測設(shè)備，無需在被監(jiān)測線路上安裝額外輔助單元。當長輸管道周邊發(fā)生挖掘外破等異常擾動時，振動通過土壤或管道本體傳播至光纜，監(jiān)測設(shè)備解調(diào)后可獲取實時振動信息，再通過數(shù)據(jù)處理對振動事件進行模式識別，達到管道監(jiān)測預(yù)警的目的。（2）泄露監(jiān)測預(yù)警當長輸管道因外部破壞或管道腐蝕而發(fā)生泄露時，其管道內(nèi)部物質(zhì)會流到管道周圍的介質(zhì)中，改變周圍介質(zhì)的物理屬性，若管道壓力大、泄露流速高，會引起管道本體或周圍介質(zhì)的振動。因此，可采用光纖傳感對管道的伴隨光纜進行溫度、振動等參數(shù)的監(jiān)測，從監(jiān)測數(shù)據(jù)中提取管道泄露特征，實現(xiàn)長輸管道的泄露監(jiān)測和定位識別。此外，還可以利用基于海底光纜的DAS傳感技術(shù)，通過探測海底管道輸送油氣資源產(chǎn)生的海底表面波，對海底管道進行流量監(jiān)測與泄露預(yù)警。18IMT-2020(5G)推進組面向通感算一體化光網(wǎng)絡(luò)的光纖傳感技術(shù)白皮書（3）清管器追蹤長輸管道運行一段時間后，管道內(nèi)壁會結(jié)臘（油管）或銹蝕（氣管），為保障管道的安全運行并提升輸運效率，需對管道進行內(nèi)檢測，在內(nèi)檢測之前需對管道內(nèi)壁采用不同類型的清管器進行清理，清管器運行時若產(chǎn)生卡堵將嚴重影響管道運行安全和效率，因此需對清管器進行實時跟蹤定位。因管道結(jié)構(gòu)特點，清管器在管道內(nèi)運行時易在管道內(nèi)形成規(guī)律的負壓波傳播，可采用分布式光纖傳感技術(shù)進行監(jiān)測，通過識別振動信號特征達到清管器實時米級追蹤定位的目的。（4）管體結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測長輸管道在長期運行過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)定運行。針對長輸管道管體結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，可采用分布式光纖傳感設(shè)備對隨管道敷設(shè)的光纜進行應(yīng)變監(jiān)測，當管道受外部因素影響發(fā)生形變時，可根據(jù)監(jiān)測結(jié)果進行管道結(jié)構(gòu)健康評估。3.3

電力線路監(jiān)測從“十五”期間啟動“西電東送”工程開始，我國電力網(wǎng)絡(luò)高速發(fā)展，輸電線路逐步形成北、中、南三大通道，電網(wǎng)規(guī)模和輸送容量位居全球首位。輸電線路的穩(wěn)定運行易受惡劣天氣如大風、雷暴、冰雪災(zāi)害等環(huán)境因素的影響，傳統(tǒng)監(jiān)測預(yù)警方案主要依靠人工巡檢、電子點式傳感器等方法，存在勞動強度大、成本高、安裝維護難度大和大面積覆蓋困難等問題。光纖傳感技術(shù)可實現(xiàn)對沿線多種參量的長距離、實時在線監(jiān)測，相比傳統(tǒng)方法具有響應(yīng)速度快、抗干擾性強、可靠性高和重量輕可微型化等優(yōu)點。（1）架空線路監(jiān)測我國110kV電壓等級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)測可采用OPGW或OPPC內(nèi)的冗余纖芯作為傳感單元，通過對光纖衰減、溫度、應(yīng)變、振動和偏振態(tài)等進行實時監(jiān)測，結(jié)合架空線的結(jié)構(gòu)力學、材料以及GIS地理信息等，對發(fā)生在架空線路上的冰害、風害、雷擊、斷股、山火等事件和嚴重程度進行識別定位，實時反饋架空線弧垂、舞動、微風振動、風速等狀態(tài)。圖10為國家電網(wǎng)某線路基于光迅科技站內(nèi)分布式光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)進行的覆冰在線監(jiān)測試點，可實現(xiàn)OPGW光纜逐檔距的覆冰厚度連續(xù)實時監(jiān)測。19IMT-2020(5G)推進組面向通感算一體化光網(wǎng)絡(luò)的光纖傳感技術(shù)白皮書（A）OPGW光纜覆冰段落桿塔定位圖（局部）（B）覆冰監(jiān)測結(jié)果圖10

覆冰在線監(jiān)測基于站內(nèi)分布式光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)，可實現(xiàn)OPGW光纜全線逐檔距的風速在線測量，為大風區(qū)線路狀態(tài)監(jiān)測和運維提供參考信息。圖11為使用模型初步分析了某地變電站試點取得的少量樣本數(shù)據(jù)，成功捕捉到一次十二級大風過程，與天氣預(yù)報一致。（A）被監(jiān)測OPGW光纜地圖信息20IMT-2020(5G)推進組面向通感算一體化光網(wǎng)絡(luò)的光纖傳感技術(shù)白皮書（B）不同時刻風速分布（C）各檔隨時間變化圖11

風速在線監(jiān)測（2）地埋線路監(jiān)測部分電力線路為地埋電纜，在運行過程中易受到施工等影響造成輸電事故，現(xiàn)有監(jiān)測技術(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)測盲區(qū)、實時性差、運維難度大等不足。采用分布式光纖傳感技術(shù)，基于已有機器學習算法，可實現(xiàn)對沿線上方人工作業(yè)、機械施工等振動事件進行實時、分布式監(jiān)測。圖12展示了鄭州市某地埋線路監(jiān)測到的機械施工結(jié)果，對于持續(xù)作業(yè)事件的檢測率可達95%以上。未來，結(jié)合通感算一體化光網(wǎng)絡(luò)提供算力保障，引入深度學習模型優(yōu)化復(fù)雜類型模式識別，可擴展精細類型識別、提高預(yù)警性能，保障電力輸運穩(wěn)定運行。圖12

地埋線路監(jiān)測測21IMT-2020(5G)推進組面向通感算一體化光網(wǎng)絡(luò)的光纖傳感技術(shù)白皮書3.4

地質(zhì)環(huán)境和火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警基于光纖傳感技術(shù)和我國廣泛覆蓋光通信網(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)測預(yù)警網(wǎng)。通過對光學信號的分析和振動等參數(shù)檢測，一方面可實時監(jiān)測地質(zhì)環(huán)境中的異常變化，提供地震、滑坡、泥石流等早期預(yù)警和風險評估，以便采取適當防護措施；另一方面，可實時獲取地質(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，輔助評估結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性?；诠饫w傳感技術(shù)的地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測具有較高的抗干擾能力、耐久性和長期穩(wěn)定性，部分試點和實驗已取得較好效果。2021年，加利福尼亞理工學院聯(lián)合谷歌完成了基于通信信號SOP的海底監(jiān)測，成功感知到多個海底中大型地震，與相近震中的陸上地震臺站記錄具有較好的一致性，系統(tǒng)示意如圖13所示。光偏振狀態(tài)可用兩個相互獨立的斯托克斯參數(shù)來表示，并在Poincaré球上直觀顯示。當光纖沒有受到擾動時，光纖輸入端和輸出端光信號偏振狀態(tài)穩(wěn)定；當光纖受外部擾動影響時，輸出端光信號偏振狀態(tài)隨時間變化。圖13

基于通信海纜的光學偏振態(tài)檢測對海底地震和海嘯的傳感方案示意圖火災(zāi)是威脅公眾安全和社會發(fā)展的主要災(zāi)害之一，我國每年因火災(zāi)造成的直接財產(chǎn)損失高達幾22IMT-2020(5G)推進組面向通感算一體化光網(wǎng)絡(luò)的光纖傳感技術(shù)白皮書十億元，且有逐年上升趨勢?；诠饫w傳感技術(shù)的火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)是近年來發(fā)展起來的新興火災(zāi)監(jiān)測方案，相對于傳統(tǒng)方案具有靈敏度高、準確性高、檢測精度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)快、抗干擾性強、可線型分布式敷設(shè)等優(yōu)點，尤其適合隧道、城市綜合管廊、油罐、煤礦、核電站等場景。火災(zāi)監(jiān)測應(yīng)用中的光纖傳感主要包括分布式光纖測溫和光纖光柵測溫兩種技術(shù)方案，近年來還出現(xiàn)了融合分立式光纖傳感和分布式光纖傳感技術(shù)兩者優(yōu)點的光柵陣列方案，可同時實現(xiàn)溫度監(jiān)測預(yù)警和定位功能。3.5

周界安防監(jiān)測社會經(jīng)濟的高速發(fā)展對核電站、鐵路沿線、?；穫}庫、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、誤報率高、易遭受雷擊等缺點，具有監(jiān)測距離長、無電磁輻射、抗干擾能力強、可靠性高、運營成本低等優(yōu)點。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，可實時監(jiān)測周界區(qū)域的光學信號變化，結(jié)合計算機視覺和機器學習算法可分析識別人員或車輛的異常行為，如闖入、停留、奔跑等，通過比對與正常行為模式的差異，判斷是否存在潛在威脅，并及時采取應(yīng)對措施。