面向通感算一體化光網絡的光纖傳感技術-2023.09

IMT-2020(5G)推進組面向通感算一體化光網絡的光纖傳感技術白皮書目錄引言P1P2技術方案與關鍵器件典型應用場景產品化能力總結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、科學技術部聯(lián)合推動成立，組織架構基于原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。推進組是聚合中國產學研用力量、推動中國第五代移動通信技術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絡的光纖傳感技術白皮書引言5G/5G-A的快速發(fā)展催生各種新應用不斷涌現(xiàn)，未來6G還將提供更加豐富的業(yè)務體驗，僅具備光通信屬性的承載網絡已不能滿足應用需求，通信、感知與算力等多系統(tǒng)的深度融合成為技術發(fā)展新趨勢。光纖是光通信網絡信息傳輸?shù)年P鍵介質，鋪設區(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。光纖除構建通信網絡外，同時具備溫度、應力、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合，可實現(xiàn)大規(guī)模、高密度的通感一體化光網絡。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用對感知的極致需求，光通信網絡具有高帶寬、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，光通信網絡也是算力基礎設施的承載底座，海量感知數(shù)據(jù)可通過光通信網絡傳輸至廣泛分布的多級算力節(jié)點，結合人工智能等技術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、按需調度算力的通感算一體化高效協(xié)同、互惠增強的光網絡架構體系。光纖傳感作為感知層核心技術，是實現(xiàn)通感算一體化光網絡的基礎與關鍵，逐步成為業(yè)界關注的焦點。本白皮書聚焦面向通感算一體化的光纖傳感技術方案、核心器件、應用場景和產品化能力等基礎共性問題開展研究，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絡的光纖傳感技術產業(yè)有序演進，支撐我國信息通信基礎設施高質量發(fā)展。1IMT-2020(5G)推進組面向通感算一體化光網絡的光纖傳感技術白皮書技術方案與關鍵器件2.1

技術原理（1）基于光纖散射基于光纖散射的傳感技術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）?；诠饫w瑞利散射的傳感技術稱為光時域反射（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)結構如圖1（A）所示。OTDR結構簡單、技術成熟，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，通過解調散射信號的強度和相位實現(xiàn)分布式振動定位，其系統(tǒng)結構如圖1（B）所示。Φ-OTDR的靈敏度較高，能夠監(jiān)測微弱振動信號，還可解調準確恢復外界振動信號波形，但在實際應用中容易受到外界環(huán)境干擾，存在誤報率高的問題，需結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、應變、彎曲和扭轉等變化均較為敏感。2IMT-2020(5G)推進組面向通感算一體化光網絡的光纖傳感技術白皮書圖1

基于瑞利散射原理的分布式傳感系統(tǒng)結構示意圖OTDR技術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，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制方案。光纖中還存在包括拉曼散射和布里淵散射在內的非彈性散射，通過吸收或釋放聲子使散射光相對于入射光發(fā)生頻移。基于布里淵散射原理的光纖傳感（BOTDR）技術與傳統(tǒng)OTDR結構相似，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溫度或應變等參量信息。BOTDR可在數(shù)十公里距離內分布式測量應變和溫度，已取得廣泛應用，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絡的光纖傳感技術白皮書強度，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)路結構，導致傳感距離受限。BOTDA系統(tǒng)結構相對復雜，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)結構示意圖除BOTDR和BOTDA外，還有結合布里淵散射和光學相關的布里淵光相關域分析（BOCDA）技術，對反向傳播的泵浦光和探測光同步實施正弦頻率調制，測量兩束光干涉時沿光纖激發(fā)產生的周期性相關峰，其測量范圍受限于相鄰相關峰間隔，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，且周期性的相關峰導致傳感距離受限，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常結合光脈沖編碼技術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絡的光纖傳感技術白皮書圖3

基于拉曼散射原理的分布式傳感系統(tǒng)結構示意圖（2）基于SOP監(jiān)控在偏振復用相干光傳輸系統(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，不同偏振分量在經過光纖傳輸后會各自經歷不同的損耗、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)?；赟OP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、應變、彎曲和扭轉等變化。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、應力變化及外力損傷等進行實時監(jiān)測和上報，目前主要應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（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、應用靈活、便于拓展和大規(guī)模應用等優(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、光探測器和解調系統(tǒng)共同組成。基于光學5IMT-2020(5G)推進組面向通感算一體化光網絡的光纖傳感技術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、應變、彎曲和扭轉等參量變化，具有結構簡單、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）。通過解調反射波長的變化，光纖光柵可對溫度、應變、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、可陣列組網等優(yōu)點。表1對上述光纖傳感技術原理進行了匯總。表1

光纖傳感技術原理2.2

技術難點隨著光纖傳感在眾多應用場景中的深度應用，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、組網方案等方面呈現(xiàn)出新的技術難點與研究熱點，業(yè)界正在積極探索相關解決方案。（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用的關鍵之6IMT-2020(5G)推進組面向通感算一體化光網絡的光纖傳感技術白皮書一。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。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技術是摻餌光纖放大器（EDFA）與RFA的結合，由遠程泵浦單元（RPU）和遠程增益單元（RGU）共同構成。RGU放置于傳輸鏈路的適當位置，其增益介質為摻鉺光纖，RPU發(fā)送泵浦光經光纖后注入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技術單端最長傳感距離可達208km。一種典型的采用ROPA技術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的未承載業(yè)務的“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技術的傳感系統(tǒng)通常采用高功率光脈沖，因交叉相位調制等非線性效應影響，傳感信號與通信信號共纖傳輸時會對通信信號產生干擾，導致誤碼率增加。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絡的光纖傳感技術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，但將導致傳感信號信噪比降低、傳感距離減小?；谶泵}沖的傳感技術可解決該問題，啁啾脈沖是一種頻率線性調制的光脈沖，在接收端經過匹配濾波后，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，可打破脈沖寬度與空間分辨率之間的對應關系。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。在不同應用場景中，事件識別的內容不盡相同，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、車輛經過或其他干擾等。隨著傳感技術在各類場景中的深度應用，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)。例如在實際應用中，復雜的環(huán)境干擾和人為干擾可能產生系統(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絡的光纖傳感技術白皮書費，并避免災難性事故的發(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，側重于研究特定應用環(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，再結合人工神經網絡（ANN）、高斯混合模型（GMM）、支持向量機（SVM）、隨機森林（RF）、相關向量機（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、復雜度低、識別實時性好等優(yōu)點，但特征提取對專家經驗和任務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)對復雜事件的實時、高9IMT-2020(5G)推進組面向通感算一體化光網絡的光纖傳感技術白皮書準確率類型識別。深度神經網絡可通過誤差反向傳播自適應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。相關算法包括卷積神經網絡(CNN)、時間卷積網絡

(TCN)、長短期記憶

(LSTM)、生成對抗網絡

(GAN)、深度強化學習（RL）等。深度學習應用于光纖傳感，需要大量模式數(shù)據(jù)進行驅動，以及強大的算力支持以保證模型的實時性。目前，無論是基于特征驅動的機器學習還是基于數(shù)據(jù)驅動的深度學習，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)化智能識別模型結構，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)質量，即在基于通感算一體化光網絡的光纖傳感技術應用過程中，積累大量優(yōu)質模式數(shù)據(jù)，反饋應用于智能識別模型結構優(yōu)化；三是提升服務于模式識別的算力支撐，保障智能模型識別的實時性?；谕ǜ兴阋惑w化光網絡，可通過光通信網絡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）組網技術方案通感算一體化光網絡在系統(tǒng)層面的研究內容包括協(xié)同組網方案、系統(tǒng)接口、資源分配、管控和信號處理等。其中組網方案的有效設計是關鍵基礎，一方面保證網絡中傳感和通信信號融合傳輸、互不干擾；另一方面協(xié)同光通信網絡中的數(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)內已經初步提出了若干通感算一體化的系統(tǒng)組網方案，如借用空閑的L波段以及OSC波段采用波分復用方式進行協(xié)同組網的分布式聲學傳感（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方式，從解復用端注入傳感脈沖，降低傳感脈沖和通信信號之間的非線性效應；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，以應對DAS傳感系統(tǒng)海量原始數(shù)據(jù)對網絡帶寬的占用。10IMT-2020(5G)推進組面向通感算一體化光網絡的光纖傳感技術白皮書圖7

基于波分復用的傳感通信協(xié)同組網方案（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架構，該方案使用與通信信號同向傳輸?shù)膶ьl和來自接收側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，基于光接入網架構，可根據(jù)網絡段和傳感應用之間的互連情況，設置合理的傳感結構實現(xiàn)通感算一體化功能，例如在無源光網絡的分路器后設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實現(xiàn)干涉?zhèn)鞲泄δ?。在考慮技術可行性的同時，組網方案的設計還需綜合兼顧系統(tǒng)代價、鏈路預算等多方因素。除了組網方案設計外，通感算一體化還需要在系統(tǒng)的統(tǒng)一管控層面進行設計，通過北向接口將設備管理的硬件與網管系統(tǒng)對接，實現(xiàn)感知和通信數(shù)據(jù)的上報。2.3

關鍵器件（1）激光器激光器用于向光纖內發(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，結合調制器、放大器等共同形成探測脈沖。Φ-OTDR、COTDR技術的傳感功能基于反射光干涉效應，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絡的光纖傳感技術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。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）光調制器光調制器用于將激光器發(fā)射的連續(xù)光調制為脈沖光。對于光時域反射型傳感，空間分辨率與調制的脈沖寬度呈線性關系，如長距離監(jiān)測通常需要約10m的空間分辨率，對應脈沖寬度為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，脈沖寬度是光調制器的關鍵參數(shù)之一。光調制有直接調制和間接調制兩種方式，直接調制通過改變激光器的驅動電流等參數(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)，產生的啁啾效應使得譜線展寬，從而導致傳感能力下降。光12IMT-2020(5G)推進組面向通感算一體化光網絡的光纖傳感技術白皮書纖傳感應用中通常采用間接調制方式，按物理效應的不同又分為半導體光放大器（SOA）、聲光調制（AOM）、電光調制（EOM）三種類型。其中，SOA的優(yōu)點是可同時實現(xiàn)光脈沖的調制和放大，提供無損耗、高消光比和無偏振旋轉的調制方案；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、調制帶寬大、工作頻率高等優(yōu)點。三種間接調制方案的典型參數(shù)對比如表3所示。表3

光調制器典型參數(shù)對比（3）光放大器光放大器在光纖傳感中用于放大經過調制的光脈沖，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)自相位調制等非線性效應，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等；EDFA具備放大增益高、偏振不相關、熔接損耗低等優(yōu)點，工作波段為C波段（1530~1565nm），是光纖傳感領域應用最廣泛的放大器。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絡的光纖傳感技術白皮書（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換為電信號，主要參數(shù)包括靈敏度、增益、帶寬、響應度、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絡的光纖傳感技術白皮書表6

光電探測器典型參數(shù)對比（6）特種光纖應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、旋轉光纖、瑞利散射增強光纖和光纖光柵等。抗彎曲光纖彎曲損耗低、機械強度高，適合小尺寸振動環(huán)繞制，應用于光纖水聽器等場景。保偏光纖可提高相干信噪比，應用于光纖陀螺等。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，可應用于分布式光纖測溫系統(tǒng)。旋轉光纖具有圓偏振保持和抗環(huán)境干擾能力，可應用于基于法拉第磁光效應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絡的光纖傳感技術白皮書典型應用場景3.1

光纜運維管理隨著業(yè)務需求的增長，算網一體與云網融合承載網絡加速構建，推動光纜鋪設區(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，是光網絡中具有無源特性的“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)網光纜施工復雜，布放彎曲、架空和預留情況普遍，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，導致物理網絡和邏輯網絡存在偏差）、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)相關統(tǒng)計，85%以上網絡不可用事件均由光纜故障造成，對經濟社會生活造成了較大損失。通感算一體化光網絡或有望解決上述難題，基于光纖傳感技術可實現(xiàn)光纜應力應變、溫度、偏振態(tài)和振動等物理參量的精準檢測，結合智能算法和大數(shù)據(jù)技術可進行光纜狀態(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。典型應用如下：（1）光纜故障監(jiān)測預警光纜在施工、服役過程中，由于技術和環(huán)境影響難免存在不良扭轉、物理損壞等情況，需進行故障狀態(tài)監(jiān)測及預警。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，未對光網絡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的光纜網絡建設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，可助力光網絡在不干擾現(xiàn)網業(yè)務的前提下，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測等，也可對光纜本身質量變化進行周期性多維度監(jiān)測，獲取光纜衰耗、應變、溫度等參數(shù)，結合相關算法建立分析模型，通過設置參考曲線和閾值，對超過閾值的位置點、光纜斷點等進行判決預警。（2）光纜路由檢測與資源可視化盡管光網絡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絡的光纖傳感技術白皮書務中斷風險將大幅增加?；诠饫w傳感的“同路由檢測”技術可實現(xiàn)光纜管線信息和業(yè)務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)務性能無影響?！巴酚蓹z測”技術進一步結合地理信息系統(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)測預警影響光纜壽命的因素較多，如鋪設光纜時殘留的應力長期作用、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)測光纜的應變和衰耗等參數(shù)，并計算出光纜的預估壽命，示例如圖9所示。普通光纜的設計壽命通常為20年，當預估壽命較低（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絡的光纖傳感技術白皮書圖9

光纜質量評分以及壽命預測示例3.2

油氣管網監(jiān)測我國擁有龐大的油氣管網，根據(jù)國家能源局數(shù)據(jù)，到2025年全國油氣管網規(guī)模將達到21萬公里。油氣管網具有跨度長、地理地質環(huán)境復雜、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，利用油氣管道同溝鋪設的通信光纜，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)測預警DVS/DAS、光纖光柵陣列等技術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的通信光纜作為傳感單元，光纖光柵陣列技術可在管道沿線敷設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)測設備解調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)測預警的目的。（2）泄露監(jiān)測預警當長輸管道因外部破壞或管道腐蝕而發(fā)生泄露時，其管道內部物質會流到管道周圍的介質中，改變周圍介質的物理屬性，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，通過探測海底管道輸送油氣資源產生的海底表面波，對海底管道進行流量監(jiān)測與泄露預警。18IMT-2020(5G)推進組面向通感算一體化光網絡的光纖傳感技術白皮書（3）清管器追蹤長輸管道運行一段時間后，管道內壁會結臘（油管）或銹蝕（氣管），為保障管道的安全運行并提升輸運效率，需對管道進行內檢測，在內檢測之前需對管道內壁采用不同類型的清管器進行清理，清管器運行時若產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。因管道結構特點，清管器在管道內運行時易在管道內形成規(guī)律的負壓波傳播，可采用分布式光纖傳感技術進行監(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）管體結構健康監(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)生結構破壞，導致難以安全穩(wěn)定運行。針對長輸管道管體結構健康監(jiān)測，可采用分布式光纖傳感設備對隨管道敷設的光纜進行應變監(jiān)測，當管道受外部因素影響發(fā)生形變時，可根據(jù)監(jiān)測結果進行管道結構健康評估。3.3

電力線路監(jiān)測從“十五”期間啟動“西電東送”工程開始，我國電力網絡高速發(fā)展，輸電線路逐步形成北、中、南三大通道，電網規(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、冰雪災害等環(huán)境因素的影響，傳統(tǒng)監(jiān)測預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了光纖復合架空地線（OPGW），部分線路采用了光纖復合相線（OPPC），架空線路監(jiān)測可采用OPGW或OPPC內的冗余纖芯作為傳感單元，通過對光纖衰減、溫度、應變、振動和偏振態(tài)等進行實時監(jiān)測，結合架空線的結構力學、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為國家電網某線路基于光迅科技站內分布式光纖傳感監(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絡的光纖傳感技術白皮書（A）OPGW光纜覆冰段落桿塔定位圖（局部）（B）覆冰監(jiān)測結果圖10

覆冰在線監(jiān)測基于站內分布式光纖傳感監(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絡的光纖傳感技術白皮書（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)測技術多為人工巡檢、攝像頭監(jiān)控等分立式技術手段，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，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)測到的機械施工結果，對于持續(xù)作業(yè)事件的檢測率可達95%以上。未來，結合通感算一體化光網絡提供算力保障，引入深度學習模型優(yōu)化復雜類型模式識別，可擴展精細類型識別、提高預警性能，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絡的光纖傳感技術白皮書3.4

地質環(huán)境和火災監(jiān)測預警基于光纖傳感技術和我國廣泛覆蓋光通信網絡，可構建一張包含平原、山川、河流、海洋的地質環(huán)境監(jiān)測預警網。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)測地質環(huán)境中的異常變化，提供地震、滑坡、泥石流等早期預警和風險評估，以便采取適當防護措施；另一方面，可實時獲取地質參數(shù)的變化情況，如地殼位移、水位變化、巖土結構變形等，輔助評估結構的安全性與穩(wěn)定性。基于光纖傳感技術的地質環(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是威脅公眾安全和社會發(fā)展的主要災害之一，我國每年因火災造成的直接財產損失高達幾22IMT-2020(5G)推進組面向通感算一體化光網絡的光纖傳感技術白皮書十億元，且有逐年上升趨勢?；诠饫w傳感技術的火災監(jiān)測系統(tǒng)是近年來發(fā)展起來的新興火災監(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、響應快、抗干擾性強、可線型分布式敷設等優(yōu)點，尤其適合隧道、城市綜合管廊、油罐、煤礦、核電站等場景。火災監(jiān)測應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兩者優(yōu)點的光柵陣列方案，可同時實現(xiàn)溫度監(jiān)測預警和定位功能。3.5

周界安防監(jiān)測社會經濟的高速發(fā)展對核電站、鐵路沿線、?；穫}庫、軍事基地、政府辦公區(qū)域、重要基建設施、大型網絡節(jié)點等重要戰(zhàn)略區(qū)域提出了更高安防要求，為有效杜絕關鍵區(qū)域越界入侵，周界防護正從物防人防向技防轉變?；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，并及時采取應對措施。