面向通感算一体化光网络的光纤传感技术-2023.09

IMT-2020(5G)推进组面向通感算一体化光网络的光纤传感技术白皮书目录引言P1P2技术方案与关键器件典型应用场景产品化能力总结与展望主要贡献单位P16P24P26P27IMT-2020(5G)推进组于2013年2月由中国工业和信息化部、国家发展和改革委员会、科学技术部联合推动成立，组织架构基于原IMT-Advanced推进组，成员包括中国主要的运营商、制造商、高校和研究机构。推进组是聚合中国产学研用力量、推动中国第五代移动通信技术研究和开展国际交流与合作的主要平台。IMT-2020(5G)推进组面向通感算一体化光网络的光纤传感技术白皮书引言5G/5G-A的快速发展催生各种新应用不断涌现，未来6G还将提供更加丰富的业务体验，仅具备光通信属性的承载网络已不能满足应用需求，通信、感知与算力等多系统的深度融合成为技术发展新趋势。光纤是光通信网络信息传输的关键介质，铺设区域和密集度快速增长，根据工信部统计，截至2023年6月底我国光缆线路总长度已达6196万公里。光纤除构建通信网络外，同时具备温度、应力、折射率、振动、磁场和电场等多参量的状态感知能力，将光纤传感与光通信相结合，可实现大规模、高密度的通感一体化光网络。同时，基于本地计算独立感知的传感系统已逐渐无法支撑各类新型应用对感知的极致需求，光通信网络具有高带宽、长距离、低时延和高可靠的数据传输能力，可有效辅助实现多节点协作感知，拓宽感知广度。另一方面，光通信网络也是算力基础设施的承载底座，海量感知数据可通过光通信网络传输至广泛分布的多级算力节点，结合人工智能等技术进行定制化特征抽取、深度计算、智能识别与信息融合，从而形成大带宽低时延通信、实时状态感知、按需调度算力的通感算一体化高效协同、互惠增强的光网络架构体系。光纤传感作为感知层核心技术，是实现通感算一体化光网络的基础与关键，逐步成为业界关注的焦点。本白皮书聚焦面向通感算一体化的光纤传感技术方案、核心器件、应用场景和产品化能力等基础共性问题开展研究，并针对性提出后续发展建议，推动面向通感算一体化光网络的光纤传感技术产业有序演进，支撑我国信息通信基础设施高质量发展。1IMT-2020(5G)推进组面向通感算一体化光网络的光纤传感技术白皮书技术方案与关键器件2.1

技术原理（1）基于光纤散射基于光纤散射的传感技术利用光纤中散射光的物理特征，如振幅、相位、偏振、频率等进行分布式事件的感知。根据原理的不同，光纤散射可分为瑞利散射（弹性散射）、布里渊散射和拉曼散射（非弹性散射）。基于光纤瑞利散射的传感技术称为光时域反射（OTDR）。由于光纤局部密度和成分的随机起伏，光在传播时受到沿途光纤的瑞利散射系数、损耗特性等影响发生功率变化，因此可通过接收到的瑞利散射光功率来判断光纤的衰减特性，同时根据接收到散射光的时间来确定光纤损耗或断点位置，其系统结构如图1（A）所示。OTDR结构简单、技术成熟，但存在测量距离和空间分辨率之间的矛盾，需根据实际需求选择合适的脉宽进行取舍。目前OTDR商用产品已较为成熟，高精度、大动态范围方面仍在持续探索。除传统OTDR之外，还衍生出相位型OTDR（Φ-OTDR）和偏振型OTDR（POTDR）。Φ-OTDR使用超窄线宽激光器调制的脉冲光进行探测，利用瑞利散射光之间的多径干涉效应，通过解调散射信号的强度和相位实现分布式振动定位，其系统结构如图1（B）所示。Φ-OTDR的灵敏度较高，能够监测微弱振动信号，还可解调准确恢复外界振动信号波形，但在实际应用中容易受到外界环境干扰，存在误报率高的问题，需结合模式识别等算法提升准确率。POTDR在光源后和接收端分别放置起偏器和检偏器，如图1（C）所示，利用光纤双折射效应引起的偏振变化获取外界对光纤链路的扰动，对温度、振动、应变、弯曲和扭转等变化均较为敏感。2IMT-2020(5G)推进组面向通感算一体化光网络的光纤传感技术白皮书图1

基于瑞利散射原理的分布式传感系统结构示意图OTDR技术类似于脉冲激光雷达，其空间分辨率受限于激光器脉宽，较窄的脉宽可以提高光纤事件的空间分辨率，但同时降低了回波信号信噪比，限制检测距离。为解决上述矛盾，业界提出光频域反射（OFDR）技术，如图1（D）所示，将一束高相干的线性扫频光分为两路，一路作为探测光注入待测光纤，另一路为本地光，用于相干接收。利用光纤不同位置的背向瑞利散射光到达本地的时间不同，以及与本地光干涉形成射频信号的频率不同，可在频域上进行位置的区分。OFDR技术在光频域上对获得的拍频信号进行处理，其空间分辨率主要取决于调制信号的扫频范围，可达到厘米级甚至毫米级，因此更适用于高空间分辨率场景的应用。此外，系统的动态范围同时取决于空间分辨率和探测光的持续时间，可通过增加探测光时长来改善系统动态范围特性，从而同时获得高测量灵敏度和高空间分辨率。限制OFDR实现长距离和高空间分辨率测量的主要因素是激光器的线宽及扫频的非线性，需合理选择激光器及其调制方案。光纤中还存在包括拉曼散射和布里渊散射在内的非弹性散射，通过吸收或释放声子使散射光相对于入射光发生频移。基于布里渊散射原理的光纤传感（BOTDR）技术与传统OTDR结构相似，如图2（A）所示，不同之处在于接收端需滤出布里渊斯托克斯或反斯托克斯分量，再通过判断布里渊散射谱的频移来解调温度或应变等参量信息。BOTDR可在数十公里距离内分布式测量应变和温度，已取得广泛应用，但由于光纤中的自发布里渊散射（SpBS）效率较低，一般需使用相干探测将本振光与布里渊散射信号拍频实现信号放大，以提升空间分辨率和精度。此外，还可通过在光纤另一端打入与泵浦脉冲光对向传输且频率差位于布里渊增益谱内的连续探测光，以激发受激布里渊散射（SBS）提高信号3IMT-2020(5G)推进组面向通感算一体化光网络的光纤传感技术白皮书强度，从而进一步拓展传感距离，称为布里渊时域分析（BOTDA），如图2（B）所示。BOTDA要求泵浦脉冲与探测光对向传输，在长距离传感中（>100km）常使用单光源的环路结构，导致传感距离受限。BOTDA系统结构相对复杂，目前商用程度较低。图2

基于布里渊散射原理的分布式传感系统结构示意图除BOTDR和BOTDA外，还有结合布里渊散射和光学相关的布里渊光相关域分析（BOCDA）技术，对反向传播的泵浦光和探测光同步实施正弦频率调制，测量两束光干涉时沿光纤激发产生的周期性相关峰，其测量范围受限于相邻相关峰间隔，而其有效传感点数为传感距离与空间分辨率的比值，由光源的调制幅度决定。BOCDA的空间分辨率可达厘米甚至毫米量级，但针对分布式测量的扫描耗时较长，且周期性的相关峰导致传感距离受限，影响其工程实用。另

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射（ROTDR）。拉曼散射光分为低频的斯托克斯光和高频的反斯托克斯光，其中反斯托克斯光的强度对温度非常敏感，而斯托克斯光强对温度不敏感，据此可以通过测量入射端监测散射回来的反斯托克斯与斯托克斯光的比值，实现光纤沿线的温度测量，其装置与BOTDR类似（如图3所示）。ROTDR的缺点是光纤的拉曼散射系数低，温度信息极易受到瑞利散射噪声、探测器噪声以及示波器或采集卡量化噪声的影响，因此对探测器和仪器有严格要求，通常需要大量平均来提高系统信噪比，测量时间较长。目前，ROTDR常结合光脉冲编码技术来提高检测精度和传感距离。4IMT-2020(5G)推进组面向通感算一体化光网络的光纤传感技术白皮书图3

基于拉曼散射原理的分布式传感系统结构示意图（2）基于SOP监控在偏振复用相干光传输系统中，不同偏振方向的光场强度大小和相位差可以独立变化。基于偏振态的光纤传感（SOP）原理为外界扰动改变光纤的双折射，不同偏振分量在经过光纤传输后会各自经历不同的损耗、时延、色散、非线性等变化，改变各偏振信号之间的振幅比值和/或相位差，从而改变总偏振态。基于SOP监控的典型方案为偏振光时域反射（POTDR），可探测光纤沿线的温度、振动、应变、弯曲和扭转等变化。然而常规光纤POTDR易受多种环境参量的影响，区分不同因素对偏振态的影响是POTDR技术面临的重要问题。SOP监控适用于对相干信号传输的光纤链路进行监测，可针对线路振动、应力变化及外力损伤等进行实时监测和上报，目前主要应用于海底光缆和电力光缆。业界的研究热点是利用光收发器接收端的数字信号处理技术（DSP）分析相干信号传输后的偏振态变化（以及对相位、功率等的监测分析），进而对沿线的环境参量进行计算分析，监测其异常和变化趋势。该方案无需添加额外的传感设施，只需借助相干信号的传输和数字信号的分析处理，其监测距离不受限制，在不影响组网方案的情况下即可灵活监测光纤链路的环境参量，具有成本低廉、应用灵活、便于拓展和大规模应用等优势。（3）基于光学干涉光学干涉利用多路光进行干涉从而将相位信息转换为强度信息进行探测，具有较高的灵敏度。常用的光学干涉系统有马赫-泽德干涉仪（MZI）、迈克尔逊干涉仪（MI）、法布里-佩罗干涉仪（FPI）和萨格纳克干涉仪（SI）等。光学干涉仪包含传输本振信号的参考臂和传输测量信号的探测臂，完整的光学干涉传感系统由相干光源、传感单元、传感链路、光探测器和解调系统共同组成。基于光学5IMT-2020(5G)推进组面向通感算一体化光网络的光纤传感技术白皮书干涉仪的光纤传感系统可以感知环境温度、压力、振动、应变、弯曲和扭转等参量变化，具有结构简单、灵敏度高、成本低等诸多优点。（4）基于光纤光栅光纤光栅是使用物理压制法、驻波法、光刻法、激光写入法等方式使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，等效于基于布拉格反射的窄带滤波器，也称光纤布拉格光栅（FBG）。通过解调反射波长的变化，光纤光栅可对温度、应变、折射率、浓度等环境参量进行传感，具有体积小、熔接损耗低、光纤兼容性好、可嵌入式功能扩展、可阵列组网等优点。表1对上述光纤传感技术原理进行了汇总。表1

光纤传感技术原理2.2

技术难点随着光纤传感在众多应用场景中的深度应用，以及与通信、计算的交叉融合，其在超长距离传感、通信与传感信号串扰、事件模式识别、组网方案等方面呈现出新的技术难点与研究热点，业界正在积极探索相关解决方案。（1）超长传感距离输电线路、石油管道、通信光缆等动辄上百公里，延长传感距离是光纤传感可广泛应用的关键之6IMT-2020(5G)推进组面向通感算一体化光网络的光纤传感技术白皮书一。常用的解决方案是光信号放大，包括基于拉曼光纤放大器（RFA）和远程泵浦放大器（ROPA）的放大技术。RFA具有噪声指数低、增益平坦等优势，包含一阶拉曼放大、二阶拉曼放大、三阶拉曼放大、混合分区放大、反向布里渊放大等机制。ROPA技术是掺饵光纤放大器（EDFA）与RFA的结合，由远程泵浦单元（RPU）和远程增益单元（RGU）共同构成。RGU放置于传输链路的适当位置，其增益介质为掺铒光纤，RPU发送泵浦光经光纤后注入RGU，RGU将信号光与泵浦光耦合实现对信号光的无中继放大。目前利用二阶拉曼放大实现的单端最长传感距离可达131km，利用ROPA技术单端最长传感距离可达208km。一种典型的采用ROPA技术的超长跨距分布式光纤传感监测系统如图4所示，系统实现了Φ-OTDR/BOTDR融合监测的单端208km传感距离。图4

基于ROPA的超长距传感系统（2）传感与通信信号低串扰通感一体化的实现，既可以利用运营商铺设的未承载业务的“暗光纤”进行传感，也可以在同一光纤中进行通信信号与传感信号的共传，以实现光纤资源充分利用。基于OTDR技术的传感系统通常采用高功率光脉冲，因交叉相位调制等非线性效应影响，传感信号与通信信号共纤传输时会对通信信号产生干扰，导致误码率增加。降低两种信号之间的串扰是实现通感一体化的难点与关键。降低串扰的常用解决方案有两种，如图5所示，当传感模块前置时，降低入纤峰值光功率；当传感模块后置时，降低7IMT-2020(5G)推进组面向通感算一体化光网络的光纤传感技术白皮书相同方向传感与通信信号的波长串扰。图5

传感模块在系统中的位置示意图降低传感脉冲峰值功率可显著降低通信与传感信号之间的相互干扰，但将导致传感信号信噪比降低、传感距离减小。基于啁啾脉冲的传感技术可解决该问题，啁啾脉冲是一种频率线性调制的光脉冲，在接收端经过匹配滤波后，啁啾脉冲强度分布呈很窄的sinc型函数，所获得的空间分辨率仅与频率扫描范围相关，可打破脉冲宽度与空间分辨率之间的对应关系。采用啁啾脉冲可以在降低脉冲峰值功率的条件下保证传感脉冲能量、提升传感信号信噪比，也可以通过增加频率扫描范围获得高空间分辨率，从而实现与通信信号共纤传输。（3）事件模式识别算法事件模式识别是指在检测出事件后，对事件发生类型的归类与判定。在不同应用场景中，事件识别的内容不尽相同，在光缆运维管理场景中，故障点识别的具体类型可包括光纤断纤、弯折衰耗或接头反射等；在油气管网监测场景中，事情识别可包括挖掘外破、油气泄露或清管操作等；在周界安防监测场景中，入侵类型判定可包括人员入侵、机械挖掘、车辆经过或其他干扰等。随着传感技术在各类场景中的深度应用，事件类型的归类与判定需求逐步细化，对事件识别的准确率、类型精细程度、事件识别通用性等提出挑战。例如在实际应用中，复杂的环境干扰和人为干扰可能产生系统误报，只有准确识别出事件类型、区分出有害入侵和无害干扰，才能及时有效产生报警，减少不必要的资源浪8IMT-2020(5G)推进组面向通感算一体化光网络的光纤传感技术白皮书费，并避免灾难性事故的发生。事件模式识别需要高效算法的支撑，根据是否需要人工提取信号特征，可将目前主流的事件识别模式分为机器学习和深度学习两类。机器学习以多域特征提取与识别模型探索为主，侧重于研究特定应用环境下几种目标事件的分类识别方法，包括时域的信号幅值、水平过零率、步态周期性特征等，频域的FFT谱能量分布特征等，空域的图像形态学特征等，时频域的短时傅里叶变换谱、小波/小波包能量谱、梅尔倒谱（MFCC）特征提取等。通过在不同维度进行特征提取，形成特征向量及多域特征综合判断，再结合人工神经网络（ANN）、高斯混合模型（GMM）、支持向量机（SVM）、随机森林（RF）、相关向量机（RVM）、极端梯度提升（XG-Boost）等分类模型，实现事件类型的识别，如图6所示。机器学习具有模型机理相对清晰、复杂度低、识别实时性好等优点，但特征提取对专家经验和任务的特异性依赖度较高，更新速度较难与海量采样点的变化模式同步，存在场景通用性和泛化能力差、识别准确率偏低等问题。图6

传统机器学习模式识别分类算法随着人工智能、大数据分析技术的发展和算力的提升，深度学习快速发展。深度学习大大减少了对专家经验的依赖，支持从大数据中学习简单特征、并逐渐学习到更为复杂抽象的深层特征，从而自动提取特征信息，具有学习能力强、泛化能力好、可移植性好等优点，可实现对复杂事件的实时、高9IMT-2020(5G)推进组面向通感算一体化光网络的光纤传感技术白皮书准确率类型识别。深度神经网络可通过误差反向传播自适应地学习出更具可分性的特征提取方法，具有自动提取信号隐藏的可区分特征和高识别效果的优势。相关算法包括卷积神经网络(CNN)、时间卷积网络

(TCN)、长短期记忆

(LSTM)、生成对抗网络

(GAN)、深度强化学习（RL）等。深度学习应用于光纤传感，需要大量模式数据进行驱动，以及强大的算力支持以保证模型的实时性。目前，无论是基于特征驱动的机器学习还是基于数据驱动的深度学习，在光纤传感事件模式识别中均取得了很好的效果，已有深度学习模型的平均识别率可达95%以上。事件模式识别率的进一步提升需考虑以下三个方面，一是优化智能识别模型结构，需要研究泛化能力更强、运算效率更快、识别率更高的智能识别模型，包括深度学习、机器学习等；二是提升模式数据质量，即在基于通感算一体化光网络的光纤传感技术应用过程中，积累大量优质模式数据，反馈应用于智能识别模型结构优化；三是提升服务于模式识别的算力支撑，保障智能模型识别的实时性。基于通感算一体化光网络，可通过光通信网络和算力资源解决基于智能识别模型的实时计算问题，实现性能与成本的平衡。（4）组网技术方案通感算一体化光网络在系统层面的研究内容包括协同组网方案、系统接口、资源分配、管控和信号处理等。其中组网方案的有效设计是关键基础，一方面保证网络中传感和通信信号融合传输、互不干扰；另一方面协同光通信网络中的数字信号处理或算力资源来增强光纤传感的性能。目前，业内已经初步提出了若干通感算一体化的系统组网方案，如借用空闲的L波段以及OSC波段采用波分复用方式进行协同组网的分布式声学传感（DAS），如图7所示。由于DAS的传感距离通常为50~60km，针对小于50km的短距离通信跨段，可采用反向传播组网方式，从解复用端注入传感脉冲，降低传感脉冲和通信信号之间的非线性效应；在长距离跨段中，可采用多个不同波长传输的DAS传感系统分别从两端进行探测，并在接收端通过光学滤波器滤除对向DAS传感脉冲，避免相互干扰。在协同计算方面，可在DAS传感节点部署边缘计算单元进行本地处理，数据压缩后再上传至云计算中心识别判定，以应对DAS传感系统海量原始数据对网络带宽的占用。10IMT-2020(5G)推进组面向通感算一体化光网络的光纤传感技术白皮书图7

基于波分复用的传感通信协同组网方案（A）短距（B）长距香港理工大学研究团队于2023年提出一种可同时传输通信和传感信号的组网架构，该方案使用与通信信号同向传输的导频和来自接收侧的本地振荡器反向传输的连续波，使用发射端光纤干涉法进行振动传感，其可行性已在100km的60GBaud

PM-16QAM光传输系统中得到验证。此外，基于光接入网架构，可根据网络段和传感应用之间的互连情况，设置合理的传感结构实现通感算一体化功能，例如在无源光网络的分路器后设置两路专用传感链路形成干涉仪，通过对分光器干涉信号进行解调实现干涉传感功能。在考虑技术可行性的同时，组网方案的设计还需综合兼顾系统代价、链路预算等多方因素。除了组网方案设计外，通感算一体化还需要在系统的统一管控层面进行设计，通过北向接口将设备管理的硬件与网管系统对接，实现感知和通信数据的上报。2.3

关键器件（1）激光器激光器用于向光纤内发射激光，形成特征性的反射光波，以及相干检测情形下分出参考光与信号光进行干涉混频输出，或用于系统内器件及光路的泵浦能量光，实现光放大或形成受激散射。激光器可作为种子光源，结合调制器、放大器等共同形成探测脉冲。Φ-OTDR、COTDR技术的传感功能基于反射光干涉效应，要求光源具有窄线宽、频率和发射功率稳定等特性，窄线宽条件下干涉效果更好，对应系统的灵敏度更高；频率和发射功率稳定可保证反射光强参考的一致性，系统噪声更小。激光器中心波长通常选择为1550nm，为光纤的低损耗传输窗口。在BOTDR、BOTDA技术中，考虑布里渊散射增益谱的线宽一般大于30MHz，为不影响探测精度，激11IMT-2020(5G)推进组面向通感算一体化光网络的光纤传感技术白皮书光器线宽需远小于布里渊增益谱线宽，但激光器线宽过窄也会对系统引入额外的相位和偏振相干噪声，综合两方面因素，激光器线宽为kHz量级时系统具备较好的信噪比。同时，BOTDR、BOTDA也要求激光器具有良好的频率稳定性，避免引起布里渊频谱参考点的移动。综上，线宽和相位噪声是激光器的关键性能指标。线宽是激光器输出频谱的宽度，线宽越窄、激光器的频率稳定性越高，允许探测的距离越远，该指标与激光器腔长、温度、功率等密切相关。相位噪声描述激光相位随机起伏，与激光器的线宽成正比线性关系。相位噪声越小，激光器的线宽越小，相干性越强。除了影响激光线宽外，相位噪声会造成多径干涉，影响系统的信噪比。常用于光纤传感的窄线宽激光器主要包括光纤激光器、半导体激光器两类，典型参数对比如表2所示。中国通信标准化协会已提出“通信传感一体用窄线宽集成激光器组件”行业标准立项建议，将对相关参数进行详细规范。表2

窄线宽激光器典型参数对比（2）光调制器光调制器用于将激光器发射的连续光调制为脉冲光。对于光时域反射型传感，空间分辨率与调制的脉冲宽度呈线性关系，如长距离监测通常需要约10m的空间分辨率，对应脉冲宽度为100ns量级，短距离监测时可能需要小于1m的空间分辨率，典型脉冲宽度要求为10ns以下，脉冲宽度是光调制器的关键参数之一。光调制有直接调制和间接调制两种方式，直接调制通过改变激光器的驱动电流等参数实现输出光强度的变化，但激光器振荡状态不连续，产生的啁啾效应使得谱线展宽，从而导致传感能力下降。光12IMT-2020(5G)推进组面向通感算一体化光网络的光纤传感技术白皮书纤传感应用中通常采用间接调制方式，按物理效应的不同又分为半导体光放大器（SOA）、声光调制（AOM）、电光调制（EOM）三种类型。其中，SOA的优点是可同时实现光脉冲的调制和放大，提供无损耗、高消光比和无偏振旋转的调制方案；AOM的优点是消光比高、温度稳定性和环境适用性好；EOM具有传输损耗低、调制带宽大、工作频率高等优点。三种间接调制方案的典型参数对比如表3所示。表3

光调制器典型参数对比（3）光放大器光放大器在光纤传感中用于放大经过调制的光脉冲，并保持线宽、偏振、波形等性能，足够的输出光功率可提供充足的传感动态范围和探测距离。但光脉冲功率过大，光纤中会出现自相位调制等非线性效应，造成探测失真，因此输出光功率存在上限。常用于光纤传感的光放大器包含SOA和EDFA，典型参数对比如表4所示。SOA具有体积小、寿命长、波段宽等优点，支持O波段（1260~1360nm）、C波段（1530~1565nm）等多波段光放大，可用于光发射的功放、接收端前放和光开关等；EDFA具备放大增益高、偏振不相关、熔接损耗低等优点，工作波段为C波段（1530~1565nm），是光纤传感领域应用最广泛的放大器。表4

光放大器典型参数对比13IMT-2020(5G)推进组面向通感算一体化光网络的光纤传感技术白皮书（4）光纤滤波器光纤滤波器用于选择性地传递或抑制某些波长区域的光信号，关键性能指标包含中心波长、带宽、隔离度、插损、温度稳定性、波长偏移、反射率等。光纤传感中多采用窄带光纤滤波器，主要包括光纤布拉格光栅型和介质膜（BPF）型等，典型参数对比如表5所示。表5

窄带光纤滤波器典型参数对比（5）光电探测器光电探测器用于将光信号转换为电信号，主要参数包括灵敏度、增益、带宽、响应度、共模抑制比、噪声特性、工作电压等。其中，灵敏度代表光电探测器对光信号的感知能力，雪崩光电二极管（APD）相对于普通光电二极管（PD）灵敏度更高，在探测极微弱光时，如基于拉曼散射光的ROTDR系统，通常需要采用APD进行光电探测。带宽指探测器可感应信号的频率范围，带宽越大，光电探测器的信号输出能力越强。在光纤分布式振动传感（DVS）/DAS系统中，探测器带宽是影响系统空间分辨率的重要指标。响应度为输出电信号电流大小与输入光信号功率大小之比。共模抑制比是衡量平衡探测器抑制共模干扰能力的重要指标，定义为平衡探测器对共模信号的抑制能力与其对差分信号的增益之比，共模抑制比越高、抗干扰能力越强。光纤传感常用的光电探测器包括PD、APD、平衡光电探测器（BPD），典型参数对比见表6。14IMT-2020(5G)推进组面向通感算一体化光网络的光纤传感技术白皮书表6

光电探测器典型参数对比（6）特种光纤应用于光纤传感的特种光纤包括抗弯曲光纤、保偏光纤、耐高温光纤、抗辐射光纤、旋转光纤、瑞利散射增强光纤和光纤光栅等。抗弯曲光纤弯曲损耗低、机械强度高，适合小尺寸振动环绕制，应用于光纤水听器等场景。保偏光纤可提高相干信噪比，应用于光纤陀螺等。耐高温光纤耐受温度高达300℃，抗辐射光纤可减小材料辐致衰减、满足辐照环境下的传感需求，可应用于分布式光纤测温系统。旋转光纤具有圆偏振保持和抗环境干扰能力，可应用于基于法拉第磁光效应的光纤电流互感器等。瑞利散射增强光纤通过掺杂及浓度控制提高光纤的瑞利散射，可应用于基于瑞利散射的分布式传感系统。光纤光栅种类繁多，可按不同光学波段和工作温度、周期是否均匀、是否具有特异敏感性等进行分类，单根光纤最多可制作数万个光栅，光栅间距可灵活调整，光栅间无需焊接、无接点损耗，可实现厘米级高精度感知、米级空间定位和公里级长度覆盖。15IMT-2020(5G)推进组面向通感算一体化光网络的光纤传感技术白皮书典型应用场景3.1

光缆运维管理随着业务需求的增长，算网一体与云网融合承载网络加速构建，推动光缆铺设区域和密集度快速增长。光缆具有纤芯多、分布广、路由繁杂、可维护性差等特点，是光网络中具有无源特性的“哑”资源，其运维管理存在诸多困难，如监测工作量大（光缆资源日益增多，运维人员相对较少、以人工定期巡检为主）、故障定位误差大（现网光缆施工复杂，布放弯曲、架空和预留情况普遍，通过回波曲线进行故障定位存在较大误差，影响运维和检修）、性能监控不完善（只掌握衰耗、断点信息，无法对光缆温度、应变等进行周期性监控）、路由难以查找（实际维护中存在光缆线路维修和改造等，导致物理网络和逻辑网络存在偏差）、无法实现主动运维和完整生命周期监控（光缆资源劣化通常为渐变过程，传统运维手段时效性较差，且存在数据统计断档或无法有效统计等情况）等问题。根据相关统计，85%以上网络不可用事件均由光缆故障造成，对经济社会生活造成了较大损失。通感算一体化光网络或有望解决上述难题，基于光纤传感技术可实现光缆应力应变、温度、偏振态和振动等物理参量的精准检测，结合智能算法和大数据技术可进行光缆状态的实时、低成本采集，化被动巡检为主动感知，提高运维管理效率和灵活性，实现数字化、智能化监测运维。典型应用如下：（1）光缆故障监测预警光缆在施工、服役过程中，由于技术和环境影响难免存在不良扭转、物理损坏等情况，需进行故障状态监测及预警。早期，ITU-T针对类似需求制定了G.983.5、G.984.1标准，但以冗余备份和保护切换方案为主，未对光网络故障的识别定位进行规定。ITU-T

L系列标准开始使用OTDR进行PONs故障监测，ITU

L.66（2007）标准预留了U波段（1625-1675

nm）用于维护；ITU-T

L.316（2022）规范了基于光传感技术的光缆网络建设和维护用的光缆识别，增强了光缆资源物理层维护机制。当前阶段，通过通感算一体化技术，可助力光网络在不干扰现网业务的前提下，实现光缆链路劣化和故障监测。光缆故障监测包括故障类型识别、光缆故障定位和光缆故障预测等，也可对光缆本身质量变化进行周期性多维度监测，获取光缆衰耗、应变、温度等参数，结合相关算法建立分析模型，通过设置参考曲线和阈值，对超过阈值的位置点、光缆断点等进行判决预警。（2）光缆路由检测与资源可视化尽管光网络有逻辑链路主备路径保护措施，但若主备路径处于同一物理光缆，断纤事故造成的业16IMT-2020(5G)推进组面向通感算一体化光网络的光纤传感技术白皮书务中断风险将大幅增加。基于光纤传感的“同路由检测”技术可实现光缆管线信息和业务路由信息的融合管理。通过对强度、偏振态等特征参数进行大数据采集，构建光层数字化模型，例如光缆的熔接位置、温度、风力、以及附近施工或车辆经过引发的振动等外界环境变化，从而可自动识别任意两条业务路由是否全部或部分同缆，如图8所示。试点表明，光缆“同路由检测”AI算法的准确率高达90%，且检测过程对业务性能无影响。“同路由检测”技术进一步结合地理信息系统（GIS），可绘制出光缆资源的电子地图，实现光缆资源可视化管理。图8

光缆路由检测示意（3）光缆寿命监测预警影响光缆寿命的因素较多，如铺设光缆时残留的应力长期作用、光纤表面微裂纹的存在和扩大、大气环境中水和水蒸气分子对光纤表面的浸蚀等。例如，当光缆持续受到应力影响并达到一定值时，会对光缆的衰耗等性能、以及光缆寿命造成影响。光缆寿命评估目前仍在逐步研究完善的过程中，可根据微裂纹理论和光缆寿命计算模型，监测光缆的应变和衰耗等参数，并计算出光缆的预估寿命，示例如图9所示。普通光缆的设计寿命通常为20年，当预估寿命较低（如小于5年）时需开展重点监测，必要时考虑重建。17IMT-2020(5G)推进组面向通感算一体化光网络的光纤传感技术白皮书图9

光缆质量评分以及寿命预测示例3.2

油气管网监测我国拥有庞大的油气管网，根据国家能源局数据，到2025年全国油气管网规模将达到21万公里。油气管网具有跨度长、地理地质环境复杂、多处于野外无人监管区域等特点，传统监测方法较难满足油气管道的安全监测需求。基于光纤传感技术，利用油气管道同沟铺设的通信光缆，配合智能分析算法，可实现长距离、高空间分辨率、多参数测量的长输管道实时监测。（1）防挖掘外破监测预警DVS/DAS、光纤光栅阵列等技术可对管道周围振动进行分布式监测。其中，DVS/DAS方案可采用随管道敷设的通信光缆作为传感单元，光纤光栅阵列技术可在管道沿线敷设光栅阵列光缆作为传感单元，两种方案均可在油气管道中间阀室单端安装监测设备，无需在被监测线路上安装额外辅助单元。当长输管道周边发生挖掘外破等异常扰动时，振动通过土壤或管道本体传播至光缆，监测设备解调后可获取实时振动信息，再通过数据处理对振动事件进行模式识别，达到管道监测预警的目的。（2）泄露监测预警当长输管道因外部破坏或管道腐蚀而发生泄露时，其管道内部物质会流到管道周围的介质中，改变周围介质的物理属性，若管道压力大、泄露流速高，会引起管道本体或周围介质的振动。因此，可采用光纤传感对管道的伴随光缆进行温度、振动等参数的监测，从监测数据中提取管道泄露特征，实现长输管道的泄露监测和定位识别。此外，还可以利用基于海底光缆的DAS传感技术，通过探测海底管道输送油气资源产生的海底表面波，对海底管道进行流量监测与泄露预警。18IMT-2020(5G)推进组面向通感算一体化光网络的光纤传感技术白皮书（3）清管器追踪长输管道运行一段时间后，管道内壁会结腊（油管）或锈蚀（气管），为保障管道的安全运行并提升输运效率，需对管道进行内检测，在内检测之前需对管道内壁采用不同类型的清管器进行清理，清管器运行时若产生卡堵将严重影响管道运行安全和效率，因此需对清管器进行实时跟踪定位。因管道结构特点，清管器在管道内运行时易在管道内形成规律的负压波传播，可采用分布式光纤传感技术进行监测，通过识别振动信号特征达到清管器实时米级追踪定位的目的。（4）管体结构健康监测长输管道在长期运行过程中易受外部人为或自然环境的影响而发生结构破坏，导致难以安全稳定运行。针对长输管道管体结构健康监测，可采用分布式光纤传感设备对随管道敷设的光缆进行应变监测，当管道受外部因素影响发生形变时，可根据监测结果进行管道结构健康评估。3.3

电力线路监测从“十五”期间启动“西电东送”工程开始，我国电力网络高速发展，输电线路逐步形成北、中、南三大通道，电网规模和输送容量位居全球首位。输电线路的稳定运行易受恶劣天气如大风、雷暴、冰雪灾害等环境因素的影响，传统监测预警方案主要依靠人工巡检、电子点式传感器等方法，存在劳动强度大、成本高、安装维护难度大和大面积覆盖困难等问题。光纤传感技术可实现对沿线多种参量的长距离、实时在线监测，相比传统方法具有响应速度快、抗干扰性强、可靠性高和重量轻可微型化等优点。（1）架空线路监测我国110kV电压等级以上的输电线路基本架设了光纤复合架空地线（OPGW），部分线路采用了光纤复合相线（OPPC），架空线路监测可采用OPGW或OPPC内的冗余纤芯作为传感单元，通过对光纤衰减、温度、应变、振动和偏振态等进行实时监测，结合架空线的结构力学、材料以及GIS地理信息等，对发生在架空线路上的冰害、风害、雷击、断股、山火等事件和严重程度进行识别定位，实时反馈架空线弧垂、舞动、微风振动、风速等状态。图10为国家电网某线路基于光迅科技站内分布式光纤传感监测系统进行的覆冰在线监测试点，可实现OPGW光缆逐档距的覆冰厚度连续实时监测。19IMT-2020(5G)推进组面向通感算一体化光网络的光纤传感技术白皮书（A）OPGW光缆覆冰段落杆塔定位图（局部）（B）覆冰监测结果图10

覆冰在线监测基于站内分布式光纤传感监测系统，可实现OPGW光缆全线逐档距的风速在线测量，为大风区线路状态监测和运维提供参考信息。图11为使用模型初步分析了某地变电站试点取得的少量样本数据，成功捕捉到一次十二级大风过程，与天气预报一致。（A）被监测OPGW光缆地图信息20IMT-2020(5G)推进组面向通感算一体化光网络的光纤传感技术白皮书（B）不同时刻风速分布（C）各档随时间变化图11

风速在线监测（2）地埋线路监测部分电力线路为地埋电缆，在运行过程中易受到施工等影响造成输电事故，现有监测技术多为人工巡检、摄像头监控等分立式技术手段，存在监测盲区、实时性差、运维难度大等不足。采用分布式光纤传感技术，基于已有机器学习算法，可实现对沿线上方人工作业、机械施工等振动事件进行实时、分布式监测。图12展示了郑州市某地埋线路监测到的机械施工结果，对于持续作业事件的检测率可达95%以上。未来，结合通感算一体化光网络提供算力保障，引入深度学习模型优化复杂类型模式识别，可扩展精细类型识别、提高预警性能，保障电力输运稳定运行。图12

地埋线路监测测21IMT-2020(5G)推进组面向通感算一体化光网络的光纤传感技术白皮书3.4

地质环境和火灾监测预警基于光纤传感技术和我国广泛覆盖光通信网络，可构建一张包含平原、山川、河流、海洋的地质环境监测预警网。通过对光学信号的分析和振动等参数检测，一方面可实时监测地质环境中的异常变化，提供地震、滑坡、泥石流等早期预警和风险评估，以便采取适当防护措施；另一方面，可实时获取地质参数的变化情况，如地壳位移、水位变化、岩土结构变形等，辅助评估结构的安全性与稳定性。基于光纤传感技术的地质环境监测具有较高的抗干扰能力、耐久性和长期稳定性，部分试点和实验已取得较好效果。2021年，加利福尼亚理工学院联合谷歌完成了基于通信信号SOP的海底监测，成功感知到多个海底中大型地震，与相近震中的陆上地震台站记录具有较好的一致性，系统示意如图13所示。光偏振状态可用两个相互独立的斯托克斯参数来表示，并在Poincaré球上直观显示。当光纤没有受到扰动时，光纤输入端和输出端光信号偏振状态稳定；当光纤受外部扰动影响时，输出端光信号偏振状态随时间变化。图13

基于通信海缆的光学偏振态检测对海底地震和海啸的传感方案示意图火灾是威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一，我国每年因火灾造成的直接财产损失高达几22IMT-2020(5G)推进组面向通感算一体化光网络的光纤传感技术白皮书十亿元，且有逐年上升趋势。基于光纤传感技术的火灾监测系统是近年来发展起来的新兴火灾监测方案，相对于传统方案具有灵敏度高、准确性高、检测精度高、稳定性好、响应快、抗干扰性强、可线型分布式敷设等优点，尤其适合隧道、城市综合管廊、油罐、煤矿、核电站等场景。火灾监测应用中的光纤传感主要包括分布式光纤测温和光纤光栅测温两种技术方案，近年来还出现了融合分立式光纤传感和分布式光纤传感技术两者优点的光栅阵列方案，可同时实现温度监测预警和定位功能。3.5

周界安防监测社会经济的高速发展对核电站、铁路沿线、危化品仓库、军事基地、政府办公区域、重要基建设施、大型网络节点等重要战略区域提出了更高安防要求，为有效杜绝关键区域越界入侵，周界防护正从物防人防向技防转变。基于光纤传感的周界安防系统可以有效克服传统安防系统存在盲区、性能劣化、误报率高、易遭受雷击等缺点，具有监测距离长、无电磁辐射、抗干扰能力强、可靠性高、运营成本低等优点。周界安防光纤传感技术主要包括光纤光栅型、散射型和干涉型等方案，可实时监测周界区域的光学信号变化，结合计算机视觉和机器学习算法可分析识别人员或车辆的异常行为，如闯入、停留、奔跑等，通过比对与正常行为模式的差异，判断是否存在潜在威胁，并及时采取应对措施。