OFC2025 | 综合光纤传感系统：井盖定位和状态监测的新型方法

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引言
9 f: x- j9 ?0 v7 Z  w& G* h& V; e( N光纤最初部署于电信领域，现在通过先进的传感技术在环境监测中找到了新的应用。这些现有光纤网络的重新利用为基础设施监测提供了一种经济高效的解决方案，特别是对于地下资产如井盖和手孔。本文探讨了一种创新方法，该方法结合分布式声学传感（DAS）和分布式温度传感（DTS）技术，以准确定位和诊断地下光缆接入点的状况[1]。

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光纤传感技术概述
" e+ M1 x! z' w( a8 p1 J, a- n光纤传感技术依赖于对光在光纤中传播时产生的散射现象进行分析。当光脉冲进入光纤时，由于三种主要机制：瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射，光在各点向各个方向散射。每种散射类型提供关于光纤环境的不同信息。

9 D* m6 W, {7 i( y5 R4 k  o  {瑞利散射保持与发射信号相同的频率，通过相敏光时域反射仪（φ-OTDR）用于DAS技术。这种技术可以检测振动和声学信号，适用于交通监测、周界入侵检测和光缆损伤识别。
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另一方面，拉曼散射产生的斯托克斯和反斯托克斯信号频率约为原始信号的±13 THz。这一特性在DTS系统中用于沿光纤的温度测量，使得应用如管道泄漏检测和火灾监控成为可能。

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综合DAS/DTS系统的实验设置
研究团队设计了一个实时综合DAS/DTS系统，以证明结合这些技术对井盖定位和状态评估的有效性。该系统采用1550纳米激光二极管（LD）后接声光调制器（AOM）、EDFA和DWDM滤波器，生成脉冲宽度为40纳秒的传感脉冲。系统运行在125 MHz采样率，通过使用短光脉冲和快速芯片处理实现了精细到1米的传感器分辨率。

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图1(a)：综合实时DAS/DTS系统的实验设置图，展示了关键组件包括激光二极管、AOM、EDFA、滤波器和信号处理单元。 图1(b-d)：测试地点分别位于德克萨斯州理查森、新泽西州长滩岛和新泽西州菲利普斯堡，地图上标注了传感器位置和测试光纤路线。
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7 i. I) x1 R2 i* h0 P9 ^/ U7 T, r# o系统使用DTS拉曼滤波器分离返回的瑞利和拉曼背向散射信号。1550纳米的瑞利背向散射由集成相干接收器（ICR）捕获并处理DAS功能，而高增益雪崩光电二极管（APDs）接收1450纳米和1660纳米的拉曼背向散射用于DTS处理。通过调整传感探针的峰值功率，系统可以选择性地在低峰值功率（1 W）下激活DTS。
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5 O1 H! m* [+ s7 l  J研究在德克萨斯州和新泽西州的三个Verizon测试平台上进行了现场试验，代表不同的环境条件。理查森（德克萨斯州）测试平台的光缆通常埋在36-48英寸（0.9-1.2米）深处，井盖保持干燥，而长滩岛（新泽西州）的光缆埋在40-60英寸（1-1.5米）深处，井盖经常被水淹没。

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+ ]; Q7 }/ L+ W5 t! T% Z3 A井盖定位方法
研究人员采用了两种互补方法进行井盖定位：基于DTS数据的温度变化分析和基于环境噪声DAS信号的机器学习处理。
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% s# P5 ~# ^- r& c9 c; i对于DTS方法，数据收集在一天中最温暖的时段（约下午2点）和最冷的时段（约凌晨2点），以捕捉最大温度变化。干燥的井盖和架空光缆段在白天和夜间测量之间显示显著的温度差异（ΔT），而埋地光缆由于周围土壤的隔热效果保持稳定温度。
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基于DAS的方法利用机器学习识别由井盖附近经过的交通产生的特征振动模式。研究人员没有使用传统的图像分类方法，而是实施了基于图像分割的方法，预测瀑布图中每个像素的标签。这种方法提供了细粒度的像素级分辨率，并有效利用了上下文信息。
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具有编码器-解码器架构的轻量级U-Net模型利用瀑布图中的时空依赖关系。该模型包括四个下采样块，通道数从16增加到256，然后是四个上采样块恢复分辨率。位置级预测通过聚合多行和时间帧的每像素预测得出。
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& T3 p  g! x! O3 {8 a% O3 v2 s! R现场试验结果和井盖状态诊断

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2 f  E$ f; g  w7 O图2(a-c)：德克萨斯测试平台的井盖预测结果，展示DAS传感信号、DTS预测和DAS预测，井盖位置由粉色垂直线标记。 图2(d-f)：新泽西测试平台的井盖预测结果，类似于德克萨斯测试平台，显示传感信号和预测结果。 图2(i-vi)：现场测试中遇到的不同井盖和手孔的六张照片，包括被淹没的井盖和干燥的手孔。
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实验结果证明了综合方法的有效性。在德克萨斯测试平台上，全长5.8公里，其中1公里为架空光缆，仅DTS识别了19个井盖中的17个（检测率89.5%），而DAS检测到15个井盖（检测率79%）。通过交叉参考DAS和DTS数据，检测率提高到94.7%。

% D4 E% I2 L! O% q. A; Z2 S系统在不同环境条件下的性能各异。在长滩岛测试平台上，由于持续淹水状态阻止了温度变化，DTS未能检测到任何井盖。然而，DAS达到了85.7%的检测率。这展示了两种传感方法的互补性和集成的优势。

除了定位，系统还提供了有关井盖状况和可能导致光缆损坏的潜在异常的宝贵见解。
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$ e) I8 r- j9 v7 Q6 a光缆损坏预防的异常检测

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图3(a)：井盖内详细温度测量，区分水中光缆、空气中光缆及其相应的温度曲线。 图3(b-d)：异常检测结果，显示DAS瀑布图、温度变化和一张由于施工活动而掉落到地面的暴露光缆照片。

图3说明了DTS如何根据温度模式识别井盖内光缆浸没在水中或暴露在空气中的不同部分。这种能力实现了实时状态监控，帮助现场技术人员准备适当的维护工具，提高运营效率。系统甚至可以通过独特的温度模式在冬季识别冻结的井盖。
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综合传感系统也证明了在识别潜在光缆损坏风险方面的有效性。在菲利普斯堡测试平台上，系统在路线的12-12.8公里段检测到异常，DTS测量到温度变化（ΔT）为10°C，通常表明架空光缆段。然而，DAS检测到了埋地光缆特有的交通模式。这种矛盾的信息促使进行现场检查，确认光缆由于施工活动从电线杆上掉落，暴露在地面上无保护。这类异常的早期识别允许进行预防性维护，防止潜在的光缆损坏。
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" |. w$ Y8 v, O5 }7 [3 p: W: W) s结论
综合DAS/DTS架构在井盖定位、状态诊断和光缆状态异常检测方面已证明非常有效。通过交叉参考两种传感技术的数据，系统显著提高了准确率，从79%提升到94.7%，优于独立方法。
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在不同环境条件下的现场试验证实了系统对干燥、淹水和冻结井盖的适应性。此外，实时反馈能力确保了主动维护，降低了光缆损坏的风险。这些结果表明，综合光纤传感技术为增强电信网络的运营可靠性提供了很好的解决方案，特别是对于5G基础设施及更高级别的网络。

0 O) I) s" {8 k( o5 |参考文献
[1] M.-F. Huang et al., "Field Trials of Manhole Localization and Condition Diagnostics by Using Ambient Noise and Temperature Data with AI in a Real-Time Integrated Fiber Sensing System," in OFC 2025, Optica Publishing Group, 2025, Paper M1C.1.
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