《红外与激光工程》于2025年第4期推出了“光纤传感技术及应用”专题，本专题特别邀请了国内相关专家团队撰写最新研究综述14篇和原创性研究论文6篇。本期带来的是华中科技大学孙琪真教授团队最新工作。（查看全文请点击文末阅读原文）
撰稿人：陶禹然
论文题目：椭圆缠绕式分布式光纤矢量声波传感器技术研究(特邀)
作者：范存政1，石正宣1，陶禹然1，金晗宇1，李豪1，闫志君1,2，孙琪真1,2
完成单位：
1.华中科技大学 光电学院 下一代互联网接入系统国家工程研究中心
2.华中科技大学无锡研究院
导读
声波传感技术是一种非接触式的环境监测手段，由于声波场携带着丰富的介质信息，通过对声波场传输的测量和追踪，可帮助我们认识和分析介质内部的属性。近年来，声波传感技术已被广泛应用于不同尺度的物质属性分析中，如地质结构探测、资源勘探、结构健康监测和周界安防等领域。光纤分布式声波传感技术由于具有抗电磁干扰、体积小重量轻、耐恶劣环境、灵敏度高等优点，已成为时下的研究热点。而随着技术的发展，单一分量的声波数据已经不能满足当前某些应用场景中的需求，矢量声波传感技术成为了当下的技术发展趋势。由于光纤仅对轴向应变敏感，分布式线阵不能探测径向方向上的声波信号，无法实现全方向的声波探测与定向。基于此，本文提出了一种基于椭圆缠绕式光纤的矢量声波传感技术，利用光纤缠绕角度不同的传感通道的方向响应差异性完成对不同入射方向声波信号的解调，将分布式传感能力从“听声”拓展到“辨向”，可实现分布式矢量声波感知，具有重要的科学意义和应用前景。
研究背景
现有的矢量声波传感技术主要依赖于点式传感器，这些传感器虽然具有较高的灵敏度，但其覆盖范围有限，且在复杂环境下的部署和维护成本较高，难以实现大范围的声场监测。分布式光纤声波传感作为一种新兴的传感技术，具有分布式测量、抗电磁干扰、耐腐蚀等显著优势，能够实现对声波/振动信号的长距离、实时、连续监测，近年来在各领域展现出了巨大的应用潜力。但普通直单模光纤缺乏侧向声波灵敏度，无法提供矢量监测数据，这限制了其在部分场景中的应用。针对此问题，研究人员们将传感光纤以螺旋线形缠绕在光缆上，通过光缆换能实现多方向的灵敏感知，并将其应用于地质资源勘探、水声探测等领域。这种结构虽然可实现全方向声波探测，但仍无法区分声波的入射方向，并不具备完整的三分量探测能力，仍未实现真正的分布式矢量探测。未来，随着光纤传感技术和信号处理算法的不断进步，分布式光纤矢量声波传感技术有望在广泛的领域里实现规模化应用。
图1 基于螺旋缠绕式光缆的分布式光纤矢量声波传感示意图
技术亮点
针对光纤对径向入射的声波不敏感的特点，本文首先对螺旋缠绕光缆的声波方向响应进行分析，结果表明，螺旋缠绕光缆存在方向性灵敏度，可以对声波实现全方向感知，但这种螺旋缠绕光缆(HWC)由于缠绕角度单一,收集信息不够丰富，无法实现对声波辐值以及声波方向的定量解调。且由于其结构的旋转对称性，与光缆轴向夹角相同的声波都是等效的，导致无法区分入射方向，因此无法实现真正的三分量探测。
为解决这一问题，本文创新性地提出了一种椭圆缠绕式矢量探测光缆，如图2所示，每个传感单元由三个及以上的缠绕角度不同的光纤传感通道组成。仿真分析表明，缠绕角度不同的光纤对轴向、径向入射角不同的声波具有不同的方向性灵敏度，因此可实现对声波的三分量解耦。为实现入射方向的解耦，本文提出了基于最小距离匹配的矢量空间解调方法，包括建立多缠绕角感知单元、标定灵敏度函数、建立矢量空间、提取时域信息、匹配最小距离5个步骤。首先，为实现无串扰多缠绕角感知单元组建，本文采用散射增强光纤作为感知媒介，通过在光缆芯中缠绕不同角度的等长光纤，并通过纤芯散射增强标记每个传感通道的边界，形成高信噪比无串扰声波感知。在此基础上，将相邻多个不同缠绕角的传感通道编组，即可建立多缠绕角感知单元。进一步的，对各传感单元在不同入射角下的灵敏度进行标定，得到其对应的方向性灵敏度函数；在对方向性灵敏度函数归一化后，在矢量空间坐标系下绘制，形成“声波入射角-灵敏度”一一对应的矢量空间。在此基础上，计算待定位声波数据在矢量空间与灵敏度曲线间的欧氏距离，通过最小距离匹配实现声波数据的定位。
图2 椭圆缠绕矢量探测光缆示意图
为验证该方案的可行性，本文制作了上述矢量传感单元并搭建了基于相干探测的实验装置，对入射信号的角度分辨能力及矢量信号恢复误差进行了验证，探测结果如图3所示，椭圆缠绕光缆可对入射角不同的声波进行矢量解调，角度定位误差均方根为3.8°，各方向声压误差均小于0.15Pa。
图3 矢量信号解调结果。x方向、y方向时域波形图：(a)入射角为8°；(b) 入射角为60°；不同入射角度下的误差：(c)角度定位误差；(d)x方向、y方向的声压幅值误差
结论
本文面向分布式矢量声波探测需求，提出了基于椭圆缠绕光缆的分布式矢量声波探测方法，利用光纤缠绕角度不同的传感通道的方向响应差异性完成对不同入射方向声波信号的解调，实现矢量声波探测。另外，结合研究团队特色的离散散射增强光纤技术，实现了各传感通道的无串扰解析，提高了传感的稳定性及信噪比。测试结果表明，该方案实现了二维平面内的矢量声波探测，探测方向误差均方根约为3.8°，信号幅值误差在0.15Pa以下。未来，本团队将进一步对椭圆缠绕光缆的制备稳定性及多声源解耦等方向进行研究，未来此光缆可用于地震勘探、水声探测等众多矢量声波探测领域。
团队介绍
华中科技大学下一代纤上智感研究团队(iF-Lab)依托下一代互联网接入系统国家工程研究中心，致力于微纳结构光纤传感技术及应用研究，研究领域包括微纳结构特种光纤与器件、分布式光纤传感技术、全光纤超声换能与成像技术、超快激光精密测量技术，及其在大工程和大健康监测中的应用研究（研究团队网站：）。团队负责人孙琪真教授入选国家杰青、国家优青、欧盟“玛丽·居里”学者和湖北省创新群体等。团队承担科技部重点研发专项和仪器专项、国家自然科学基金杰青/优青/重点/区域联合重点/面上/青年基金等国家级项目20余项，并与华为、海康、中石油等行业领军企业开展校企合作。在Opto-Electronics Advances, Light: Science and Applications, PhotoniX, Optica, Photonics Research, Advanced Science等期刊上发表SCI论文120余篇，拥有47项授权发明专利，4项软件著作权，光纤声波传感专利技术成果实施转化应用，参与4项国家标准/国家军用标准和2项团体标准制定；研究成果先后获中国通信学会技术发明一等奖、中国光学工程学会技术创新一等奖及日内瓦国际发明展金奖等科技奖励7项。
文章信息
范存政, 石正宣, 陶禹然, 等. 椭圆缠绕式分布式光纤矢量声波传感器技术研究(特邀)[J]．红外与激光工程, 2025, 54(4): 20250045. DOI: 10.3788/IRLA20250045