撰稿 | 太原理工大学 物理与光电工程学院 博士生 张倩（论文第一作者） & 张明江 教授（论文通讯作者）基于布里渊光时域分析技术（BOTDA）的分布式光纤传感仪由于其具有长距离和高精度测量的优势已被广泛的应用于大型基础设施结构健康监测等领域。在传统的BOTDA系统中，受限于10 ns的声子寿命，空间分辨难以突破1 m，然而空间分辨率是探测小尺寸温度或应变事件的关键因素。针对上述问题，太原理工大学张明江教授团队提出了一种基于单脉冲自差分（MPSD）的厘米级空间分辨率BOTDA传感方案。该方案通过将传统BOTDA方案中单发长脉冲产生的时域曲线进行自差分，实验基于40 ns脉冲在约2 km传感光纤上实现了5 cm空间分辨率的温度测量。该方案简单易操作，空间分辨率与脉冲宽度无关且可以根据具体的应用需求进行调节而无需硬件修改，突破了脉冲宽度对空间分辨率的限制，极大地促进了BOTDA分布式光纤传感系统的实用性。研究成果以“Centimeter-level spatial resolution Brillouin optical time domain analyzer using mono-pulse self-difference”为题发表在Optics Letters期刊上。太原理工大学博士研究生张倩为论文的第一作者，张明江教授为论文的通讯作者。分布式光纤传感技术因可实现光纤沿线任意位置多种物理量的实时监测，成为国内外研究和发展的重点。其关键性能指标（包括传感距离、测量精度、空间分辨率和测量时间）的优化也是研究者们创新的热点。基于布里渊散射光时域分析的传感系统具有长传感距离和高测量精度的优势，但在实际应用中高空间分辨率的监测显得尤为重要，在传统系统中采用脉冲激光作为传感信号，利用脉冲飞行法确定传感光纤中待测物理量变化的位置，因脉冲宽度受布里渊声波场声子寿命的限制空间分辨率无法突破1m，导致微小尺寸的事件区无法及时识别而引发灾害。为提高BOTDA系统的空间分辨率，多种优化方案被提出。声波场预激发技术，在传感脉冲光前增加一段宽脉宽的预泵浦脉冲光，预先激发出稳定的声波场从而克服声子寿命的限制实现亚米级的空间分辨率。差分脉冲对技术，通过两个长脉冲产生的时域曲线差分实现了厘米级空间分辨率，其空间分辨率是由两个宽脉冲宽度差决定。该方案是目前普遍使用，易操作且有效的高空间分辨率方案。信号后处理技术，通过对采集的单脉冲时域曲线进行算法解调（例如上升沿解调算法）从而实现厘米级甚至毫米级的空间分辨率。本方案中提出了一种基于单发长脉冲自差分的厘米级空间分辨率方案，其原理简单易操作且空间分辨率与系统的采样率成正比，突破了脉冲宽度的限制，在传统BOTDA系统中实现了厘米级的空间分辨率。3.1 基于单脉冲自差分方案的高空间分辨率解调原理本文首先分析了传统的BOTDA传感系统中时域曲线的产生过程，如图1所示。当脉冲宽度远大于事件区长度时，随着长泵浦脉冲传输经过温度变化区（位置a-d），在温度区最佳增益频率下采集的时域曲线如蓝色曲线所示，可以得到温度区时域曲线的上升沿和下降沿所对应的空间尺度理论上等于事件区的长度。但是考虑到在实验中使用泵浦光为非理想矩形脉冲，同时受到系统采集带宽和光纤中噪声的影响，时域曲线的上升或下降沿不能直接作为事件区准确测量的工具。基于此，本团队提出了单脉冲自差分方案，通过解调时域曲线下降沿进行事件区的识别（在此处考虑到泵浦脉冲进入事件区的过程中伴随着声波场的建立，产生的上升沿变化缓慢，将会带来较大的误差，而当脉冲离开事件区时，声波场会迅速消失），具体下降沿的解调是基于前向差分的原理，通过将传统BOTDA方案中长脉冲产生的时域曲线和其向前位移后产生的曲线进行差分来实现，其理论示意图如图1所示。通过分析得出，当差分的距离等于事件区长度时，空间分辨率等于差分距离（由差分曲线的上升沿确定），同时差分曲线的半高全宽等于事件区长度即事件区的测量可通过对差分曲线半高全宽的解调得到，且此时差分曲线有较高的幅值可得到较高的解调精度。图源: Optics Letters (2022).https://doi.org/10.1364/OL.465151 (Fig. 1)假设系统的采样率为Q，则每一个采样点对应的空间长度为：当前向差分的距离不超过事件区长度时，其空间分辨率表示为：其中，νg为光在光纤中的传播速度，M是前向差分的点数，s为前向差分的距离。例如，当采样率为10 GSa/s时，系统的最高采样率为1 cm。因此在该方案中，系统的空间分辨率与脉冲宽度无关，与系统采样率成正比。其中，为长脉冲宽度，根据该公式可以获得温度变化区的起始位置。实验设置传感光纤总长度为2 km，末端设置温度变化区长度为5 cm，使用长脉冲宽度为40 ns，示波器采样率为20 GSa/s。如图2所示，前向差分点数M分别为5、10和20时得到的结果与前述理论分析相一致，进一步证明了该方案的可行性，即可以通过差分曲线的半高全宽解调得到事件区的长度。此时理论上系统的最大空间分辨率为0.5 cm，但是由于系统噪声和采集带宽的影响仅实现了空间分辨率为5 cm的测量。图2 MPSD-BOTDA实验结果。(a) M=10时前向差分前后的时域曲线, 事件区局部放大图(b) M=5, (b) M=10, (d) M=20.图源: Optics Letters (2022). https://doi.org/10.1364/OL.465151 (Fig. 3)光纤沿线布里渊频移的2维分布如图3所示，在传统BOTDA系统中无法识别到5 cm的温度变化区；经过前向差分处理后可以清晰的观察到5 cm的温度变化区。同时可以看到在本方案中，经过前向差分处理后的非事件区的时域信号会被消除，仅在事件区的信号被保留和精确解调。图3 传感光纤沿线布里渊频移2维分布图. (a) 传统BOTDA系统, (b) MPSD-BOTDA系统.图源: Optics Letters (2022).https://doi.org/10.1364/OL.465151 (Fig. 5)图4为 2 km光纤沿线布里渊频移的解调结果，其中温度区的信息是由前向差分后的数据解调得到，非温度区的信号由传统BOTDA系统采集的原始数据解调得到。测量得到温度变化区的长度为5.11cm，布里渊频移差约为59.26MHz，与施加的温度区长度和60℃的温度差相符。本方案在传统BOTDA系统中基于单发长脉冲实现了厘米级空间分辨率的温度传感。图4 MPSD-BOTDA方案中传感光纤沿线布里渊频移解调结果.图源: Optics Letters (2022).https://doi.org/10.1364/OL.465151 (Fig. 7)本文提出了一种基于单脉冲自差分的厘米级空间分辨率解调方案，在2 km的传感距离下将传统米量级的空间分辨率提高至5 cm，此空间分辨率理论上与系统的采样率成正比与脉冲宽度无关，且可以根据应用需求通过改变前向差分的点数进行调整。通过提高系统采样率或引入滤波降噪算法可进一步提高系统的空间分辨率。该方案是一种简单易操作且有效的高空间分辨率方案，适用于所有基于OTDR原理的传感系统，在桥梁隧道、油气管线、智能电网等大型基础设施结构健康监测领域等诸多场景中具有应用潜力和实用价值。张倩，太原理工大学光学工程专业，导师张明江教授，从事新型分布式光纤传感的研究与应用。攻读博士研究生期间，获2021年博士研究生国家奖学金，主持了山西省研究生教育创新项目，参与了国家自然科学基金面上项目等科研项目，以第一作者在Opt. Lett.、IEEE Sens. J. 等期刊发表论文4篇，授权国家发明专利5项。张明江，教授，博导，太原理工大学研究生院副院长、物理学院副院长。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，主要从事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。第一完成人获山西省技术发明一等奖1项、山西省自然科学二等奖1项、中国专利优秀奖1项。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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