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）基於(yu) 布裏淵光時域分析技術（BOTDA）的分布式光纖傳(chuan) 感儀(yi) 由於(yu) 其具有長距離和高精度測量的優(you) 勢已被廣泛的應用於(yu) 大型基礎設施結構健康監測等領域。在傳(chuan) 統的BOTDA係統中，受限於(yu) 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(guan) 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於(yu) 單脈衝(chong) 自差分（MPSD）的厘米級空間分辨率BOTDA傳(chuan) 感方案。該方案通過將傳(chuan) 統BOTDA方案中單發長脈衝(chong) 產(chan) 生的時域曲線進行自差分，實驗基於(yu) 40 ns脈衝(chong) 在約2 km傳(chuan) 感光纖上實現了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(yu) 脈衝(chong) 寬度無關(guan) 且可以根據具體(ti) 的應用需求進行調節而無需硬件修改，突破了脈衝(chong) 寬度對空間分辨率的限製，極大地促進了BOTDA分布式光纖傳(chuan) 感係統的實用性。研究成果以“Centimeter-level spatial resolution Brillouin optical time domain analyzer using mono-pulse self-difference”為(wei) 題發表在Optics Letters期刊上。太原理工大學博士研究生張倩為(wei) 論文的第一作者，張明江教授為(wei) 論文的通訊作者。分布式光纖傳(chuan) 感技術因可實現光纖沿線任意位置多種物理量的實時監測，成為(wei) 國內(nei) 外研究和發展的重點。其關(guan) 鍵性能指標（包括傳(chuan) 感距離、測量精度、空間分辨率和測量時間）的優(you) 化也是研究者們(men) 創新的熱點。基於(yu) 布裏淵散射光時域分析的傳(chuan) 感係統具有長傳(chuan) 感距離和高測量精度的優(you) 勢，但在實際應用中高空間分辨率的監測顯得尤為(wei) 重要，在傳(chuan) 統係統中采用脈衝(chong) 激光作為(wei) 傳(chuan) 感信號，利用脈衝(chong) 飛行法確定傳(chuan) 感光纖中待測物理量變化的位置，因脈衝(chong) 寬度受布裏淵聲波場聲子壽命的限製空間分辨率無法突破1m，導致微小尺寸的事件區無法及時識別而引發災害。為(wei) 提高BOTDA係統的空間分辨率，多種優(you) 化方案被提出。聲波場預激發技術，在傳(chuan) 感脈衝(chong) 光前增加一段寬脈寬的預泵浦脈衝(chong) 光，預先激發出穩定的聲波場從(cong) 而克服聲子壽命的限製實現亞(ya) 米級的空間分辨率。差分脈衝(chong) 對技術，通過兩(liang) 個(ge) 長脈衝(chong) 產(chan) 生的時域曲線差分實現了厘米級空間分辨率，其空間分辨率是由兩(liang) 個(ge) 寬脈衝(chong) 寬度差決(jue) 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。信號後處理技術，通過對采集的單脈衝(chong) 時域曲線進行算法解調（例如上升沿解調算法）從(cong) 而實現厘米級甚至毫米級的空間分辨率。本方案中提出了一種基於(yu) 單發長脈衝(chong) 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(yu) 係統的采樣率成正比，突破了脈衝(chong) 寬度的限製，在傳(chuan) 統BOTDA係統中實現了厘米級的空間分辨率。3.1 基於(yu) 單脈衝(chong) 自差分方案的高空間分辨率解調原理本文首先分析了傳(chuan) 統的BOTDA傳(chuan) 感係統中時域曲線的產(chan) 生過程，如圖1所示。當脈衝(chong) 寬度遠大於(yu) 事件區長度時，隨著長泵浦脈衝(chong) 傳(chuan) 輸經過溫度變化區（位置a-d），在溫度區最佳增益頻率下采集的時域曲線如藍色曲線所示，可以得到溫度區時域曲線的上升沿和下降沿所對應的空間尺度理論上等於(yu) 事件區的長度。但是考慮到在實驗中使用泵浦光為(wei) 非理想矩形脈衝(chong) ，同時受到係統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(wei) 事件區準確測量的工具。基於(yu) 此，本團隊提出了單脈衝(chong) 自差分方案，通過解調時域曲線下降沿進行事件區的識別（在此處考慮到泵浦脈衝(chong) 進入事件區的過程中伴隨著聲波場的建立，產(chan) 生的上升沿變化緩慢，將會(hui) 帶來較大的誤差，而當脈衝(chong) 離開事件區時，聲波場會(hui) 迅速消失），具體(ti) 下降沿的解調是基於(yu) 前向差分的原理，通過將傳(chuan) 統BOTDA方案中長脈衝(chong) 產(chan) 生的時域曲線和其向前位移後產(chan) 生的曲線進行差分來實現，其理論示意圖如圖1所示。通過分析得出，當差分的距離等於(yu) 事件區長度時，空間分辨率等於(yu) 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於(yu) 事件區長度即事件區的測量可通過對差分曲線半高全寬的解調得到，且此時差分曲線有較高的幅值可得到較高的解調精度。圖源: Optics Letters (2022).https://doi.org/10.1364/OL.465151 (Fig. 1)假設係統的采樣率為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，s為前向差分的距離。例如，當采樣率為10 GSa/s時，係統的最高采樣率為1 cm。因此在該方案中，係統的空間分辨率與脈衝寬度無關，與係統采樣率成正比。其中，為長脈衝寬度，根據該公式可以獲得溫度變化區的起始位置。實驗設置傳感光纖總長度為2 km，末端設置溫度變化區長度為5 cm，使用長脈衝寬度為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得到事件區的長度。此時理論上係統的最大空間分辨率為0.5 cm，但是由於係統噪聲和采集帶寬的影響僅實現了空間分辨率為5 cm的測量。圖2 MPSD-BOTDA實驗結果。(a) M=10時前向差分前後的時域曲線, 事件區局部放大圖(b) M=5, (b) M=10, (d) M=20.圖源: Optics Letters (2022). https://doi.org/10.1364/OL.465151 (Fig. 3)光纖沿線布裏淵頻移的2維分布如圖3所示，在傳統BOTDA係統中無法識別到5 cm的溫度變化區；經過前向差分處理後可以清晰的觀察到5 cm的溫度變化區。同時可以看到在本方案中，經過前向差分處理後的非事件區的時域信號會被消除，僅在事件區的信號被保留和精確解調。圖3 傳感光纖沿線布裏淵頻移2維分布圖. (a) 傳統BOTDA係統, (b) MPSD-BOTDA係統.圖源: Optics Letters (2022).https://doi.org/10.1364/OL.465151 (Fig. 5)圖4為 2 km光纖沿線布裏淵頻移的解調結果，其中溫度區的信息是由前向差分後的數據解調得到，非溫度區的信號由傳統BOTDA係統采集的原始數據解調得到。測量得到溫度變化區的長度為5.11cm，布裏淵頻移差約為59.26MHz，與施加的溫度區長度和60℃的溫度差相符。本方案在傳統BOTDA係統中基於單發長脈衝實現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裏淵頻移解調結果.圖源: Optics Letters (2022).https://doi.org/10.1364/OL.465151 (Fig. 7)本文提出了一種基於單脈衝自差分的厘米級空間分辨率解調方案，在2 km的傳感距離下將傳統米量級的空間分辨率提高至5 cm，此空間分辨率理論上與係統的采樣率成正比與脈衝寬度無關，且可以根據應用需求通過改變前向差分的點數進行調整。通過提高係統采樣率或引入濾波降噪算法可進一步提高係統的空間分辨率。該方案是一種簡單易操作且有效的高空間分辨率方案，適用於所有基於OTDR原理的傳感係統，在橋梁隧道、油氣管線、智能電網等大型基礎設施結構健康監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，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新項目，參與了國家自然科學基金麵上項目等科研項目，以第一作者在Opt. Lett.、IEEE Sens. J. 等期刊發表論文4篇，授權國家發明專利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。博士畢業於天津大學光學工程專業，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新人才。兼任中國光學學會光學教育專業委員會常務委員、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技術中心外部專家等職。先後主持國家重大科研儀器研製項目、國家自然科學基金麵上項目等國家、省部級項目和企業委托項目20多項。發表學術論文120多篇，以第一發明人授權中國發明專利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明一等獎1項、山西省自然科學二等獎1項、中國專利優秀獎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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