本方向研究领域主要涉及连续分布式光纤传感技术研究，已在布里渊分布式光纤传感、偏振光时域反射光纤传感和基于瑞利散射的相干光时域反射技术等具体方向取得重要进展，并成功地将布里渊光时域反射技术应用于海底光缆故障定位和高铁声屏障健康监测。

1.1、布里渊分布式光纤传感技术研究

主要研究基于自发布里渊散射的布里渊光时域反射（BOTDR）与基于受激布里渊散射的布里渊光时域分析（BOTDA）光纤传感技术，用于温度和应变等参量的连续分布式测量。

1.1.1多波长BOTDR和零差BOTDR技术研究

使用多波长探测光，可在避免非线性效应的前提下提高系统的信噪比，亦可比单波长测量获得较高的测量效率。使用零差BOTDR技术，是利用LEAF、 SMF28e+等光纤中多个布里渊散射的互拍信号，无需参考信号和布里渊散射谱扫描，即可获得温度和应变的双参量连续分布式测量。

多波长外差BOTDR系统结构图

C. Li, Y. Lu, X. Zhang and F. Wang,Electronics Letters, 48(18):1139-1141, 2012

基于零差BOTDR的温度和应变同时测量

Y. Lu, et. al,IEEE Photonics Technology Letters, 25(11): 1050-1053, 2013

此外，我们在还开展了电光调制器的消光比对BOTDR系统信噪比影响的研究（Y. Lu, et.al, Optics Communications, 297:48-54, 2013），提出了解决BOTDR系统空间分辨率与频率测量精度这对矛盾的布里渊散射信号处理方法（Y. Yao, Y. Lu, et.al, IEEE Photonics Technology Letters, 24(15):1337-1339, 2012），成功利用BOTDR技术实现缆内光纤残余热应变的高分辨率测量（Y. Lu, et.al, Optics and Lasers in Engineering, 49(9-10):1111-1119, 2011），提出了基于Hadamard序列的脉冲编码BOTDR技术（Y. Lu, et.al, The 9th International Conference on Optical Communications and Networks, 2010），利用分段傅里叶变换对BOTDR系统获得的布里渊信号处理，以缩短信号采集环节的测量时间（F. Wang, et.al, Measurement Science and Technology, 20(2):025202, 2009 ）。

1.1.2暗基底探测脉冲光的BOTDA技术研究

暗基底探测脉冲光

提出如图所示的一种暗基底探测脉冲光，用于进行BOTDA的分布式传感，可有效分辨出传感光纤中很短长度上的存在的微小应变，我们准确地测得了两个间隔30 cm 的5 cm 长光纤上存在的应变。

测得的光纤中的布里渊频移分布。

   F. Wang, X. Bao, L. Chen, Y. Li, J. Snoddy, and X. Zhang, Opt. Lett.33, 2707-2709 (2008).

1.1.3传感系统中偏振相关性的影响及抑制研究

光波的偏振性对基于布里渊效应的光纤传感有较大的影响。我们研究新的方法来消除布里渊光纤传感系统中的偏振相关噪声。如图所示，为利用与马赫曾德干涉仪相似结构的构造来消除布里渊光纤传感系统中的偏振相关噪声。通过图中虚线所标示的结构，偏振相关噪声得到了有效的消除，如图中测得的光纤沿线的布里渊谱分布所示。

消除偏振相关噪声的BOTDR实验装置示意图

测得的光纤沿线的布里渊谱分布。（a）为利用新方法获得的结果。（b）为直接测量得到的结果。

 F. Wang, C. Li, X. Zhao, and X. Zhang, Appl. Opt.51, 176-180 (2012).

1.1.4 布里渊光纤激光器及其在BOTDR中的应用

自发布里渊散射信号一般利用相干检测的方法来提高检测信噪比。单频布里渊光纤激光器可以用于得到与传感光纤布里渊stocks光频率接近、单模输出、功率稳定的低噪声本振光。该方案的显著优点在于可以节省高功率的微波移频器件，有利于系统的小型化和提高稳定性。除用于BOTDR系统外，单模连续光输出的布 里渊光纤激光器由于其极窄的线宽、极好的相干性，在光纤陀螺、光纤传感、以及相干光通信系统中具有广泛的应用。

  使用单频布里渊光纤激光器的BOTDR系统结构图

1.2 偏振光时域反射技术（POTDR）研究

偏振光时域反射技术通过检测光纤中散射光波偏振态的变化来对光纤的状态进行传感。它具有灵敏度高、误报率低、可测量并定位光纤中任意位置处的扰动。在防入侵监测、光缆及光电复合缆线路的保护监控、振动监测等方面有重要应用。

POTDR示意图。

1.2.1基于偏振光时域反射技术的新结构、新机理研究

光纤中光波的偏振态对振动、温度、弯曲等作用十分敏感，如图所示的POTDR传感系统通过利用检偏器将光波偏振态的变化转换为功率的变化，具有结构简单、响应速度快等优点。但它难以实现多种事件的分辨和对同时存在的多个事件点的准确定位。

本方向研究利用新的传感系统结构和基于偏振态的新传感机理，实现偏振敏感的光纤传感技术。并同时研究对传感对象中同时存在的多个事件进行准确的识别和定位的方法。

图示为一种与光纤光栅阵列相结合的POTDR传感系统。通过利用光纤光栅增强反射信号光的强度，可有效提高传感系统的信噪比，使振动的测量更准确。

与光纤光栅相结合的POTDR传感系统

1.2.2偏振态对其它光纤传感技术的影响及其它光纤传感技术的融合研究

研究同时利用多种分布式光纤传感技术同时进行多参量的全分布式测量。如图所示，为POTDR与BOTDR相结合的全分布式传感系统，可同时进行应变和振动的分布式测量。

可同时进行应变和振动测量的全分布式传感系统示意图

左图为测得的振动信号的频谱，右图为测得的布里渊信号的频谱。

 F. Wang, X. Zhang, X. Wang, and H. Chen, Opt. Lett.38, 2437-2439 (2013).

1.3、基于布里渊散射效应的光纤特征参数分布式测量技术研究

主要研究利用光纤中的布里渊散射效应，对通信光纤的双折射、群时延等参数进行连续分布式测量。

1.3.1近期的研究以零差BOTDR技术为手段，实现各类通信光纤的双折射参数分布式测量。

光纤分布式双折射测量装置示意图

非零色散位移光纤的双折射参数测量结果

Y. Lu, X. Bao, L. Chen, S. Xie, and M. Pang, . Optics Letters, 37(19):3936-3938, 2012

1.4 基于瑞利散射的相干光时域反射技术研究

相干光时域反射仪（Coherent OTDR）是基于相干检测技术的光时域反射仪。利用相干检测，可以实现近量子探测极限、降低探测器动态范围等优点；但由于使用高稳定性的光源，同时带来衰落噪声（偏振和瑞利衰落噪声）。相干光时域反射仪主要用于超长距离海缆系统监测，成为整个海缆通信系统的必备子系统。在海缆系统监测中，提升动态范围和降低衰落噪声/提高测试速度是最重要的研究内容。

我们已经成功为华为技术有限公司开发出Coherent OTDR系统；并且在此基础上，我们首次提出多频率Coherent OTDR（基于多频率探测脉冲的Coherent OTDR），从而实现动态范围的提升、降低衰落噪声/提高测试速度等优势。

1.4.1 多频率Coherent OTDR

如Fig. 1，利用多频率的探测脉冲和本振，我们实现了衰落噪声的快速降低(16倍)，从而能提升测量速度；但同时却牺牲了动态范围，测试结果见Fig. 2。

Fig. 1. Schematic setup of the novel multi-frequency COTDR. ECLD: external cavity laser diode; AOM: acousto-optic modulator; PS: polarization scrambler;  BPD: balanced photodetector.

Fig. 2.  COTDR traces (a) and amplitude fluctuation (b) of two different types.

(OFCNFOEC2012 OTu1C.4)

1.4.2 TDM-COTDR

利用多频的时域脉冲（Fig. 3），相比较于传统的COTDR技术，TDM-COTDR可以实现较大的动态范围提升。当使用10个频率脉冲时，动态范围提升了~8dB（Fig. 4），其中8.0 dB DR enhancement = 3.0 dB (twofold signal power) +5.0 dB (, noise suppression fromsampling datum)。

Fig. 3. Setup of TDM-COTDR

Fig. 4. Measurement results

IEEE Photon. Technol. Lett. 24, 2005-2008 (2012)

1.5 BOTDR在工程的应用研究

1.5.1 海底光缆故障定位

海底光缆承载国际通信业务量的90%, 海底光缆易受伤受人为及自然灾害影响，2006年台湾7.2级地震导致14条海底光缆中断，大陆通往台湾地区、北美、欧洲、东南亚等方向的互联网大面积瘫 痪。海底光缆故障定位意义重大：快速精度定位出故障位置，可及时完成对海缆的挖掘、接续等修复过程，最大限度地减小通信中断带来的损失。我们提出了海底光 缆现场故障定位系统方案，利用布里渊光时域反射（BOTDR）技术、BOTDR设备数据采集的虚拟仪器技术和故障点空间精确定位的微扰方法，可实现对海缆 的精确定位。我们开发了BOTDR海底光缆故障定位系统软件，利用BOTDR设备多次成功实现了海底光缆故障定位。

                     海底光缆现场故障定位系统方案

                        BOTDR海底光缆故障定位系统软件

某海底光缆故障点定位工程的结果

1.5.2 高铁声屏障健康监测

铁路沿线修建的声屏障能够有效降低高铁沿线的噪声污染，但是由于声屏障结构的动力学特性，也存在一定的安全隐患。我们研制了铁路声屏障结构监测预警系统， 该系统基于BOTDR分布式光纤传感技术，根据声屏障结构设计光纤传感系统，利用传感光缆作为传感介质，监测声屏障结构的变形状况。同时依据传感光缆的应变信息判断声屏障结构是否出现吸声板变形或立柱倾覆等事件，对声屏障结构健康状态进行评估和及时预警。

京沪高铁声屏障现场传感光缆铺设实景图

声屏障变形量与微应变的关系

负责人-张旭苹教授简介：

工学博士，博士生导师。

1983年、1986年和1995年分别获得东南大学电子工程工学学士、工学硕士和工学博士学位。1999年赴瑞士联邦苏黎世高等工业大学(ETH- Zurich)进行高访。2000年赴美国德洲大学奥斯汀分校（University of Texas at Austin）电子与计算机系进行博士后研究工作。2002年回国受聘于南京大学，创建了南京大学光通信工程研究中心及江苏省光通信系统与网络工程研究中心。

现为南京大学工程管理学院副院长，江苏省光通信系统与网络中心主任，南京大学光通信工程研究中心主任，南京大学光学工程和信息工程学科带头人，国务院政府 特殊津贴专家，江苏省“333高层次人才培养工程”首批中青年科技领军人才。中国光学学会理事、光电技术专业委员会副主任委员、光学教育专业委员会常务委 员、中国仪器仪表学会光机电技术与系统集成分会理事、“江苏省侨界专业人士联合会”理事会副会长。"Optics Letters"、“IEEE Photonics Technology Letter”、“Applied Optics”, “Optics Express”, “Opt. Communications”等国际光电子学一流刊物的审稿专家，“光电子技术”和“光学与光电技术”期刊编委。

近年来，张旭苹教授主持了国家重点基础研究发展计划资助（973）课题（1项）、国家自然科学基金（4项，其中重点项目一项）、国家863高技术计划项目 （1项）等来自国家、总装、铁道部、国家电网、江苏省、华为等企业科研项目40多项。作为主持人，“连续分布式多参量传感与监测技术” 获得了2011年教育部技术发明一等奖，“光通信网络的健康安全监控及应急管理系统”获得了2005年教育部科技进步一等奖。曾荣获部级科技进步一等、二 等、三等奖以及航天科技奖等十多项奖励，已发表篇论文近200篇，出版专著二部，15项科研成果通过部/省级鉴定，申请/获得发明专利60余项。

主要研究方向为：分布式光纤传感技术及其在大型工程结构健康监测中的应用、光电图像采集与传输、通信网络技术与监测等。

主要获奖：

1、“连续分布式多参量传感与监测技术” 2011年教育部技术发明一等奖 （主持）

2、“连续分布式光纤传感技术及其应用”  2010年中国侨界(创新成果)贡献奖（主持）

3、“基于布里渊散射的长距离快速温度/应变测量仪”  2010中国国际工业博览会一等奖（主持）

4、“光通信网络的健康安全监控及应急管理系统 ” 2006年 教育部科技进步一等奖（主持）

中心主页：http://ocer.nju.edu.cn/ocer/1.php

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