，本封面为太原理工大学张明江教授团队以及天津大学江俊峰教授、刘铁根教授的特邀综述

  本封面以“寻光”视角切入，感知万物的声音，深度契合各领域的发展命脉。揭示了基于线性调频脉冲的光纤分布式声波传感（DAS）技术是构建智慧地球、智慧海洋、智慧城市的重要支撑。DAS为感知世界提供了变革性技术方法，对推动科学研究和人类社会的智能发展具备极其重大意义。

  光纤分布式声波传感（DAS）技术是一种利用光纤中后向瑞利散射定位和恢复光纤链路上任意位置环境物理量变化的先进感知技术，具有环境适应能力强、传感范围大、信道间光速同步、时空分辨精度高等优势。目前，DAS技术已在地球物理勘探与地震学、油气资源勘探以及一系列线性基础设施安全在线监测等领域展示出独特的技术优势和巨大的应用潜力，其应用领域仍在进一步的拓展中。

  基于光纤瑞利散射的DAS技术从强度检验测试的定性阶段逐渐发展到波形恢复的定量阶段。前者又称为光纤分布式振动传感（DVS）技术，仅对整条光纤链路的振动事件做定位和事件频率信息表征，其主要对振动信号定性检测，无法正确恢复振动信号的波形信息。后者则为狭义的DAS技术，大多通过解调单色光脉冲的散射相位信息或调谐光波的散射频率信息，获取光波时延信息并线性重建外界扰动变化。

  DAS技术的发展脉络可以按调制脉冲的频率成分依次划分为单频脉冲DAS技术、多频脉冲DAS技术和线性调频(LFM)脉冲DAS技术。线性频率调制是一种综合连续波形和脉冲波形优势的扩频调制技术，可打破脉冲宽度和空间分辨率的限制，被大范围的应用于雷达和激光雷达的距离和速度测量，近年来这项技术陆续被研究人员引入到DAS中。

  为了简化模型，将LFM脉冲对应的空间长度划分为一系列长度相等的离散散射单元，如图1所示。当LFM脉冲沿着光纤传播时，产生的散射光强由n个散射单元的累积实现。在未发生光程差改变时，后向相干瑞利散射时域信号轨迹保持不变，整个LFM脉冲的散射信号如图中蓝色曲线所示。

  假设某个离散散射单元对应位置处受到外界扰动使得光程差发生微小改变，要保证初始相位值不发生改变则需要改变激光频率进行补偿。由于使用了LFM脉冲，激光频率跟着时间线性变化，直接的体现是相干瑞利散射时域信号的平移，图中红色曲线对应的相位与蓝色曲线相同。因此，通过计算两次连续测量得到时域信号的局部相关性，能确定两个不同时域信号沿光纤局部时移的变化。

  目前基于LFM脉冲的传感技术大多使用的脉冲宽度为百纳秒级，该方法一般是从时域角度对瑞利干涉图样做多元化的分析，大致可分为3类。第一类通过依次扫描φ-OTDR的光学频率来实现对折射率变化非常敏感的传感测量，其工作原理是根据光纤中的折射率变化能通过入射到光纤中脉冲的频移偏移来进行补偿。步进式频率扫描和数据处理结构如图2所示。

  第二类使用单个LFM光脉冲作为探测脉冲可实现对第一类系统的简化，瑞利干涉图样的偏移直接反映了动态应变的变化特征，其频移补偿原理如图3所示，该方案明显提高了系统的测量速度。

  第三类是基于LFM脉冲的另一种分析方法，采用波长扫描法沿波长域进行有关分析也可实现动态应变的测量。此类方法的基础原理和数据处理结构如图4所示，由于不需要高带宽采样和光电探测硬件，系统复杂性进一步降低。

  另一种方法则是使用微秒级的长脉冲结合匹配滤波器或非匹配滤波器对LFM脉冲进行压缩，如图5所示。压缩后的LFM脉冲充分的利用了光脉冲的能量，其主瓣的半高全宽决定了空间分辨率，在频域对干涉信号做处理进而实现高空间分辨率的传感测量。

  在DAS关键性能指标进一步突破的研究过程中，通常各指标之间会形成关联关系，因此文中主要从传感距离、空间分辨率、频率响应和衰落噪声抑制4个关键指标进行梳理。

  在传感距离方面，Ip等使用频率分集LFM脉冲DAS通过相关检测、分集组合和双向全拉曼放大实现了超过1000 km的DAS实验。在20 m的标距长度下实现了约100 的传感性能，成功观察过往车辆、火车和建筑造成的真实振动。

  对于空间分辨率的提升方面，Pastor-Graells等使用线性啁啾光纤布拉格光栅对输入超短探测脉冲进行物理时间拉伸和放大。增加探测脉冲能量的同时避免了光纤内的非线性相互作用，在不影响空间分辨率的情况下实现了信噪比的提高。最终该系统实现了1.8 cm的空间分辨率，同时信噪比提高了20 dB。在实际工程应用中，频率的检验测试范围直接决定了声振信号能否被检测到。Wang等提出全同间插LFM脉冲优化该方案，可复用相同的LFM脉冲直接解调混合反射信号，频率响应范围高达277 kHz。

  Fernández-Ruiz等使用基于LFM脉冲结合二维线性滤波算法滤除大量噪声分量，实现了0.02 Hz和1 Hz之间不同波段的地震波探测。在衰落噪声抑制方面，本课题组提出异构双边带LFM脉冲调制方法，实现了低频噪声达到27 dB的抑制。此外，还提出了基于LFM脉冲的虚拟块阵列空间差分相位提取方法，解决了干涉衰落的影响和信噪比差的问题，信噪比达到47.28 dB。

  作为一种环境适应能力强、传感距离长、时空分辨精度高、可实时监测的新型分布式光纤传感技术， DAS典型的应用领域大多分布在在地球物理学和线性基础设施监测两方面，如图6所示。对前者而言，需要获取具置的声振波形信息，传统的感知系统（地震仪、检波器、节点阵列）在需要大规模密集探测的场景中不足以满足实际应用需求，因此就需要寻找一种具有空间采样密度高、测量范围广、低成本高便捷度等优势的系统来代替。铁路、隧道、管线等线性基础设施因受地质灾害、人类活动的影响而面临潜在损坏的风险，常常需要对声振事件进行精准探测和分类，而不是只对事件具体的波形进行重构。

  DAS技术作为光纤传感测量技术的发展前沿之一，已经不断趋于成熟，应用场景逐步扩大。近些年国内外学者使用冗余地埋通信光缆构建了密集排列的“地震仪”，可有效弥补乃至代替现有预警手段。虽然DAS技术发展迅猛，但是尚未完全成熟，依然存在一些重要的技术瓶颈需要攻关，最重要的包含海量传感数据的存储、传输和处理以及通信传感一体化等几个方面。

  由于传感光缆上的每个传感单元都以高频率收集信息，长距离、空间和时域密集采样特征产生海量的传感数据，如何将海量的原始数据实时转化为有用的传感信号需要发展新的数据处理方法和算法。此外，基于LFM脉冲的分布式光纤传感与光纤通信系统在架构、信号检测和信号解调方面的高度相似性使二者很适合集成到一个系统中，用于一起进行数据传输和环境监视测定。如何有效地将二者集成为一体，既保持传输性能又不影响传感探测，是值得进一步研究的科学问题。

  马喆，太原理工大学讲师，硕士生导师。博士毕业于天津大学光学工程专业，主要研究方向为分布式光纤声振传感技术、布里渊动态光栅传感技术、布里渊散射光纤传感技术等。主持国家自然科学基金青年项目1项、山西省青年科学基金项目1项，作为课题负责人参与山西省重点研发计划1项。发表学术论文20余篇，申请中国发明专利17项（授权11项），其中一项先后荣获中国专利优秀奖、山西省专利二等奖。

  张明江，太原理工大学教授，博士生导师，物理学院院长、研究生院副院长。博士毕业于天津大学光学工程专业，加拿大渥太华大学访问学者，主要是做光子集成混沌激光器及分布式光纤传感研究。获全国百篇优博论文提名奖，入选首批青年三晋学者、山西省学术技术带头人、山西省高校中青年拔尖创新人才。兼任中国光学学会光学教育专业委员会常务委员、山西省光学学会副理事长、《激光与光电子学进展》期刊编委、武汉光迅科技股份有限公司国家认定企业技术中心外部专家等职。先后主持国家重大科研仪器研制项目、国家自然科学基金面上项目等国家、省部级项目和企业委托项目20多项。发表学术论文120多篇，以第一发明人授权中国发明专利42项、美国专利2项，软件著作权12项。以第一完成人获山西省技术发明一等奖、山西省自然科学二等奖、中国专利优秀奖、首届“金燧奖”中国光电仪器品牌榜铜奖。