撰稿 | 太原理工大學 物理與光電工程學院 博士生 張倩（論文第一作者） & 張明江 教授（論文通訊作者）基于布里淵光時域分析技術（BOTDA）的分布式光纖傳感儀由于其具有長距離和高精度測量的優(yōu)勢已被廣泛的應用于大型基礎設施結構健康監(jiān)測等領域。在傳統(tǒng)的BOTDA系統(tǒng)中，受限于10 ns的聲子壽命，空間分辨難以突破1 m，然而空間分辨率是探測小尺寸溫度或應變事件的關鍵因素。針對上述問題，太原理工大學張明江教授團隊提出了一種基于單脈沖自差分（MPSD）的厘米級空間分辨率BOTDA傳感方案。該方案通過將傳統(tǒng)BOTDA方案中單發(fā)長脈沖產(chǎn)生的時域曲線進行自差分，實驗基于40 ns脈沖在約2 km傳感光纖上實現(xiàn)了5 cm空間分辨率的溫度測量。該方案簡單易操作，空間分辨率與脈沖寬度無關且可以根據(jù)具體的應用需求進行調(diào)節(jié)而無需硬件修改，突破了脈沖寬度對空間分辨率的限制，極大地促進了BOTDA分布式光纖傳感系統(tǒng)的實用性。研究成果以“Centimeter-level spatial resolution Brillouin optical time domain analyzer using mono-pulse self-difference”為題發(fā)表在Optics Letters期刊上。太原理工大學博士研究生張倩為論文的第一作者，張明江教授為論文的通訊作者。分布式光纖傳感技術因可實現(xiàn)光纖沿線任意位置多種物理量的實時監(jiān)測，成為國內(nèi)外研究和發(fā)展的重點。其關鍵性能指標（包括傳感距離、測量精度、空間分辨率和測量時間）的優(yōu)化也是研究者們創(chuàng)新的熱點?；诓祭餃Y散射光時域分析的傳感系統(tǒng)具有長傳感距離和高測量精度的優(yōu)勢，但在實際應用中高空間分辨率的監(jiān)測顯得尤為重要，在傳統(tǒng)系統(tǒng)中采用脈沖激光作為傳感信號，利用脈沖飛行法確定傳感光纖中待測物理量變化的位置，因脈沖寬度受布里淵聲波場聲子壽命的限制空間分辨率無法突破1m，導致微小尺寸的事件區(qū)無法及時識別而引發(fā)災害。為提高BOTDA系統(tǒng)的空間分辨率，多種優(yōu)化方案被提出。聲波場預激發(fā)技術，在傳感脈沖光前增加一段寬脈寬的預泵浦脈沖光，預先激發(fā)出穩(wěn)定的聲波場從而克服聲子壽命的限制實現(xiàn)亞米級的空間分辨率。差分脈沖對技術，通過兩個長脈沖產(chǎn)生的時域曲線差分實現(xiàn)了厘米級空間分辨率，其空間分辨率是由兩個寬脈沖寬度差決定。該方案是目前普遍使用，易操作且有效的高空間分辨率方案。信號后處理技術，通過對采集的單脈沖時域曲線進行算法解調(diào)（例如上升沿解調(diào)算法）從而實現(xiàn)厘米級甚至毫米級的空間分辨率。本方案中提出了一種基于單發(fā)長脈沖自差分的厘米級空間分辨率方案，其原理簡單易操作且空間分辨率與系統(tǒng)的采樣率成正比，突破了脈沖寬度的限制，在傳統(tǒng)BOTDA系統(tǒng)中實現(xiàn)了厘米級的空間分辨率。3.1 基于單脈沖自差分方案的高空間分辨率解調(diào)原理本文首先分析了傳統(tǒng)的BOTDA傳感系統(tǒng)中時域曲線的產(chǎn)生過程，如圖1所示。當脈沖寬度遠大于事件區(qū)長度時，隨著長泵浦脈沖傳輸經(jīng)過溫度變化區(qū)（位置a-d），在溫度區(qū)最佳增益頻率下采集的時域曲線如藍色曲線所示，可以得到溫度區(qū)時域曲線的上升沿和下降沿所對應的空間尺度理論上等于事件區(qū)的長度。但是考慮到在實驗中使用泵浦光為非理想矩形脈沖，同時受到系統(tǒng)采集帶寬和光纖中噪聲的影響，時域曲線的上升或下降沿不能直接作為事件區(qū)準確測量的工具。基于此，本團隊提出了單脈沖自差分方案，通過解調(diào)時域曲線下降沿進行事件區(qū)的識別（在此處考慮到泵浦脈沖進入事件區(qū)的過程中伴隨著聲波場的建立，產(chǎn)生的上升沿變化緩慢，將會帶來較大的誤差，而當脈沖離開事件區(qū)時，聲波場會迅速消失），具體下降沿的解調(diào)是基于前向差分的原理，通過將傳統(tǒng)BOTDA方案中長脈沖產(chǎn)生的時域曲線和其向前位移后產(chǎn)生的曲線進行差分來實現(xiàn)，其理論示意圖如圖1所示。通過分析得出，當差分的距離等于事件區(qū)長度時，空間分辨率等于差分距離（由差分曲線的上升沿確定），同時差分曲線的半高全寬等于事件區(qū)長度即事件區(qū)的測量可通過對差分曲線半高全寬的解調(diào)得到，且此時差分曲線有較高的幅值可得到較高的解調(diào)精度。圖源: Optics Letters (2022).https://doi.org/10.1364/OL.465151 (Fig. 1)假設系統(tǒng)的采樣率為Q，則每一個采樣點對應的空間長度為：當前向差分的距離不超過事件區(qū)長度時，其空間分辨率表示為：其中，νg為光在光纖中的傳播速度，M是前向差分的點數(shù)，s為前向差分的距離。例如，當采樣率為10 GSa/s時，系統(tǒng)的最高采樣率為1 cm。因此在該方案中，系統(tǒng)的空間分辨率與脈沖寬度無關，與系統(tǒng)采樣率成正比。其中，為長脈沖寬度，根據(jù)該公式可以獲得溫度變化區(qū)的起始位置。實驗設置傳感光纖總長度為2 km，末端設置溫度變化區(qū)長度為5 cm，使用長脈沖寬度為40 ns，示波器采樣率為20 GSa/s。如圖2所示，前向差分點數(shù)M分別為5、10和20時得到的結果與前述理論分析相一致，進一步證明了該方案的可行性，即可以通過差分曲線的半高全寬解調(diào)得到事件區(qū)的長度。此時理論上系統(tǒng)的最大空間分辨率為0.5 cm，但是由于系統(tǒng)噪聲和采集帶寬的影響僅實現(xiàn)了空間分辨率為5 cm的測量。圖2 MPSD-BOTDA實驗結果。(a) M=10時前向差分前后的時域曲線, 事件區(qū)局部放大圖(b) M=5, (b) M=10, (d) M=20.圖源: Optics Letters (2022). https://doi.org/10.1364/OL.465151 (Fig. 3)光纖沿線布里淵頻移的2維分布如圖3所示，在傳統(tǒng)BOTDA系統(tǒng)中無法識別到5 cm的溫度變化區(qū)；經(jīng)過前向差分處理后可以清晰的觀察到5 cm的溫度變化區(qū)。同時可以看到在本方案中，經(jīng)過前向差分處理后的非事件區(qū)的時域信號會被消除，僅在事件區(qū)的信號被保留和精確解調(diào)。圖3 傳感光纖沿線布里淵頻移2維分布圖. (a) 傳統(tǒng)BOTDA系統(tǒng), (b) MPSD-BOTDA系統(tǒng).圖源: Optics Letters (2022).https://doi.org/10.1364/OL.465151 (Fig. 5)圖4為 2 km光纖沿線布里淵頻移的解調(diào)結果，其中溫度區(qū)的信息是由前向差分后的數(shù)據(jù)解調(diào)得到，非溫度區(qū)的信號由傳統(tǒng)BOTDA系統(tǒng)采集的原始數(shù)據(jù)解調(diào)得到。測量得到溫度變化區(qū)的長度為5.11cm，布里淵頻移差約為59.26MHz，與施加的溫度區(qū)長度和60℃的溫度差相符。本方案在傳統(tǒng)BOTDA系統(tǒng)中基于單發(fā)長脈沖實現(xiàn)了厘米級空間分辨率的溫度傳感。圖4 MPSD-BOTDA方案中傳感光纖沿線布里淵頻移解調(diào)結果.圖源: Optics Letters (2022).https://doi.org/10.1364/OL.465151 (Fig. 7)本文提出了一種基于單脈沖自差分的厘米級空間分辨率解調(diào)方案，在2 km的傳感距離下將傳統(tǒng)米量級的空間分辨率提高至5 cm，此空間分辨率理論上與系統(tǒng)的采樣率成正比與脈沖寬度無關，且可以根據(jù)應用需求通過改變前向差分的點數(shù)進行調(diào)整。通過提高系統(tǒng)采樣率或引入濾波降噪算法可進一步提高系統(tǒng)的空間分辨率。該方案是一種簡單易操作且有效的高空間分辨率方案，適用于所有基于OTDR原理的傳感系統(tǒng)，在橋梁隧道、油氣管線、智能電網(wǎng)等大型基礎設施結構健康監(jiān)測領域等諸多場景中具有應用潛力和實用價值。張倩，太原理工大學光學工程專業(yè)，導師張明江教授，從事新型分布式光纖傳感的研究與應用。攻讀博士研究生期間，獲2021年博士研究生國家獎學金，主持了山西省研究生教育創(chuàng)新項目，參與了國家自然科學基金面上項目等科研項目，以第一作者在Opt. Lett.、IEEE Sens. J. 等期刊發(fā)表論文4篇，授權國家發(fā)明專利5項。張明江，教授，博導，太原理工大學研究生院副院長、物理學院副院長。博士畢業(yè)于天津大學光學工程專業(yè)，加拿大渥太華大學訪問學者，主要從事光子集成混沌激光器及分布式光纖傳感研究。獲全國百篇優(yōu)博論文提名獎，入選首批青年三晉學者、山西省學術技術帶頭人、山西省高校中青年拔尖創(chuàng)新人才。兼任中國光學學會光學教育專業(yè)委員會常務委員、山西省光學學會副理事長、《激光與光電子學進展》期刊編委、武漢光迅科技股份有限公司國家認定企業(yè)技術中心外部專家等職。先后主持國家重大科研儀器研制項目、國家自然科學基金面上項目等國家、省部級項目和企業(yè)委托項目20多項。發(fā)表學術論文120多篇，以第一發(fā)明人授權中國發(fā)明專利42項、美國專利2項，軟件著作權12項。第一完成人獲山西省技術發(fā)明一等獎1項、山西省自然科學二等獎1項、中國專利優(yōu)秀獎1項。Qian Zhang, Tao Wang, Jian Li, Yahui Wang, Jingyang Liu, and Mingjiang Zhang. Centimeter-level spatial resolution Brillouin optical time domain analyzer using mono-pulse self-difference. Opt Lett, 2022, 47(19): 5008-5011.https://opg.optica.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-47-19-5008https://doi.org/10.1364/OL.465151
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