01 導(dǎo)讀

光頻域反射技術(shù)(OFDR)以其高信噪比、高靈敏度和高空間分辨率的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于多種物理量的分布式測(cè)量中，例如應(yīng)變、溫度和振動(dòng)等。在實(shí)際應(yīng)用中通常需要同時(shí)監(jiān)測(cè)多根光纖/纖芯來(lái)完成傳感任務(wù)，例如形狀傳感、多參數(shù)監(jiān)測(cè)等，而通常在這些應(yīng)用中需要為每一根光纖/纖芯分配一條專(zhuān)用的通道，因此實(shí)現(xiàn)多傳感光纖的復(fù)用能夠簡(jiǎn)化傳感系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。

近期，大連理工大學(xué)彭偉、周大鵬教授團(tuán)隊(duì)與加拿大渥太華大學(xué)鮑曉毅教授團(tuán)隊(duì)合作提出了一種基于單通道光頻域反射儀的多光纖并行傳感方案，利用每根光纖固有的瑞利背向散射特性作為識(shí)別傳感信息的關(guān)鍵特征，結(jié)合光耦合器實(shí)現(xiàn)對(duì)多根傳感光纖的同時(shí)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用單通道光頻域反射儀可以完成對(duì)4根單模光纖(可擴(kuò)展到6根)的同時(shí)解調(diào)，并且空間分辨率保持在mm量級(jí)。相關(guān)工作以“Multiple optical fiber sensing with a single data channel of optical frequency-domain reflectometry”為題發(fā)表在Optics Letters上。大連理工大學(xué)碩士研究生呂拓為論文第一作者，周大鵬教授為論文通訊作者。

02 研究背景

OFDR以其高測(cè)量精度、高靈敏度和高空間分辨率等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、土木工程、生物醫(yī)療等領(lǐng)域。在很多應(yīng)用場(chǎng)景中通常需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)多根光纖/纖芯的監(jiān)測(cè)來(lái)完成特殊的傳感任務(wù)，例如形狀感知應(yīng)用需要通過(guò)同時(shí)解調(diào)附著在同一物體上的多根傳感光纖或者多芯光纖的各條纖芯的應(yīng)變差異來(lái)實(shí)現(xiàn)。在這樣的應(yīng)用背景下，實(shí)現(xiàn)多根傳感光纖的復(fù)用，即實(shí)現(xiàn)對(duì)多根光纖的單通道檢測(cè)，不僅能保證測(cè)量的同時(shí)性和準(zhǔn)確性，也能降低測(cè)量系統(tǒng)的復(fù)雜度和硬件成本。

現(xiàn)有基于OFDR的多光纖復(fù)用技術(shù)主要有三類(lèi)：第一類(lèi)是結(jié)合時(shí)分復(fù)用(TDM)使用光開(kāi)關(guān)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中各光纖進(jìn)行非同時(shí)逐一檢測(cè)，然而其非同時(shí)性檢測(cè)特點(diǎn)無(wú)法滿足有高度同時(shí)性要求的傳感任務(wù);第二類(lèi)利用帶寬分復(fù)用(BDM)在激光波長(zhǎng)掃描過(guò)程中將覆蓋不同波長(zhǎng)范圍的光分別入射到不同的傳感光纖中實(shí)現(xiàn)多通道傳感，但更窄的波長(zhǎng)掃描范圍會(huì)成倍地降低傳感的空間分辨率和測(cè)量范圍;第三類(lèi)結(jié)合空分復(fù)用(SDM)將瑞利散射增強(qiáng)的特殊光纖分布于傳感網(wǎng)絡(luò)的不同位置處，在空間距離上完成對(duì)不同傳感光纖的區(qū)分。但是此方法不僅需要使用特種光纖作為傳感元件，還會(huì)大幅降低傳感系統(tǒng)的測(cè)量長(zhǎng)度。

本團(tuán)隊(duì)提出一種基于單通道OFDR的多光纖并行傳感方案，利用每根光纖所特有的瑞利散射特征作為傳感“密鑰”，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)單模光纖(SMF)的全分布式應(yīng)變傳感。此方案是受Froggatt等人早期解調(diào)兩根并行光纖工作的啟發(fā)，他們采用相位解調(diào)方法，通過(guò)大量平均分離出不同光纖的相位分布，但是能夠解調(diào)的光纖數(shù)量有限，并且缺乏空間分辨率及測(cè)量精度信息。我們的方法采用互相關(guān)算法區(qū)分不同光纖的應(yīng)變分布，能夠?qū)崿F(xiàn)最多6根光纖的同時(shí)解調(diào)，并且保持mm量級(jí)的空間分辨率和較高的測(cè)量精度。

03 創(chuàng)新研究

3.1 基于單通道OFDR的并行光纖傳感系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)中將傳統(tǒng)的OFDR系統(tǒng)經(jīng)過(guò)光耦合器與多根傳感光纖相連，構(gòu)成基于單通道OFDR的并行光纖傳感系統(tǒng)，傳統(tǒng)OFDR系統(tǒng)裝置示意圖如圖1(a)所示，同時(shí)實(shí)驗(yàn)中采用了雙光纖和四光纖兩種并行傳感網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)分別如圖1(b)和圖1(c)所示。

圖1 (a) OFDR系統(tǒng)示意圖, (b) 雙光纖并行網(wǎng)絡(luò), (c) 四光纖并行網(wǎng)絡(luò)

3.2 基于單通道OFDR的多并行光纖傳感

基于互相關(guān)算法的OFDR系統(tǒng)通過(guò)分布式測(cè)量光纖中瑞利背向散射的局部光譜偏移完成對(duì)光纖沿線的外界環(huán)境參量的連續(xù)監(jiān)測(cè)。OFDR單光纖傳感系統(tǒng)將頻率線性調(diào)諧的激光入射到傳感光纖中，測(cè)得整個(gè)傳感光纖背向瑞利散射的頻域信號(hào)。將頻域信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換(FFT)即可以得到沿整根光纖的距離域信號(hào)，此時(shí)選取一部分空間長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)將其進(jìn)行反傅里葉變換(IFFT)轉(zhuǎn)換回頻域，即可得到在此空間距離處光纖的局部光譜。因?yàn)橥饨绛h(huán)境參量(應(yīng)力或溫度)的變化會(huì)導(dǎo)致光纖局部光譜的頻移，因此在基于互相關(guān)的OFDR解調(diào)算法中，通過(guò)分布式解調(diào)局部光譜的偏移量即可完成對(duì)外界環(huán)境參量變化的定位及標(biāo)定。

在我們所構(gòu)建的多光纖并行傳感結(jié)構(gòu)中，我們通過(guò)單次測(cè)量獲得的傳感信號(hào)同時(shí)包含了所有傳感光纖的瑞利背向散射信號(hào)，將其進(jìn)行FFT和IFFT后得到的局部光譜為所有傳感光纖在同一長(zhǎng)度位置處的重疊頻譜。由于每根光纖的瑞利散射信號(hào)是隨機(jī)且唯一的，不同光纖的局部頻譜之間不存在相關(guān)性，因此我們能夠利用每根光纖預(yù)先單獨(dú)測(cè)量的參考散射信號(hào)分別與從網(wǎng)絡(luò)中獲取的整體散射信號(hào)進(jìn)行分布式互相關(guān)計(jì)算進(jìn)行解調(diào)。此時(shí)，不同光纖的參考信號(hào)與整體信號(hào)的相關(guān)性將不受其他光纖干擾被分別展示出來(lái)，即相當(dāng)于利用每根光纖特有的瑞利散射特征作為“密鑰”將每一根光纖的傳感信息從復(fù)合信號(hào)中分別提取出來(lái)，從而完成對(duì)并行光纖網(wǎng)絡(luò)中不同光纖的區(qū)分及傳感。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.3.1 雙光纖并行傳感的應(yīng)變分布測(cè)量

實(shí)驗(yàn)首先驗(yàn)證了如圖1(b)所示的雙光纖并行網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)變傳感，實(shí)驗(yàn)采用6m和8.7m長(zhǎng)的SMF作為傳感光纖，并在兩根光纖相同位置處分別施加一定的應(yīng)力。圖 2(a)展示了并行光纖網(wǎng)絡(luò)隨距離分布的整體瑞利散射信號(hào)，同時(shí)圖2(b)和2(c)分別展示了其中一根光纖的參考信號(hào)與整體信號(hào)在單光纖位置以及雙光纖并行位置的互相關(guān)結(jié)果，可見(jiàn)由于在多光纖并行位置處存在來(lái)自于其他光纖不相關(guān)的散射信號(hào)，雙光纖位置處互相關(guān)的信噪比(SNR)有所降低，但其互相關(guān)峰值仍清晰可見(jiàn)，能夠準(zhǔn)確反應(yīng)出光譜的頻移量。

圖2 (a) 隨空間距離分布的瑞利散射信號(hào), (b) 單光纖位置處及 (c) 雙光纖位置處在5mm空間分辨率下的互相關(guān)計(jì)算結(jié)果

相應(yīng)的，在5mm空間分辨率下解調(diào)出的應(yīng)變分布如圖3(a)所示。圖3(b)展示了不同空間分辨率下單光纖與雙光纖位置處的應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)偏差，可見(jiàn)應(yīng)變測(cè)量精度隨空間分辨率的降低而提高，并且雙光纖并行的測(cè)量精度明顯低于單光纖。但是隨著空間分辨率的降低其差別越來(lái)越小，這也意味著通過(guò)在一定程度上降低空間分辨率我們?nèi)阅軠?zhǔn)確地獲取傳感信息，并且分辨率仍能夠保持在mm量級(jí)。

圖3 (a) 雙光纖并行傳感的應(yīng)變分布, (b) 單光纖和雙光纖的應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)差(Std)與空間分辨率的關(guān)系

3.3.2 多光纖并行傳感的應(yīng)變分布測(cè)量

接下來(lái)我們進(jìn)一步增加并行傳感光纖的數(shù)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，即使SNR進(jìn)一步降低，但本方案仍然能夠很好地完成三根光纖的并行傳感，但無(wú)法在實(shí)現(xiàn)四根光纖并行傳感的同時(shí)保持mm量級(jí)的空間分辨率。因此我們結(jié)合SDM技術(shù)設(shè)計(jì)了四光纖并行傳感結(jié)構(gòu)如圖1(c)所示。實(shí)驗(yàn)中四根傳感光纖長(zhǎng)度都約為6m，相應(yīng)的瑞利散射信號(hào)展示在圖4(a)中，同時(shí)圖4(b)、4(c)和4(d)分別展示了5mm空間分辨率下在單光纖、三光纖以及雙光纖并行位置的互相關(guān)結(jié)果。結(jié)果可見(jiàn)三光纖并行傳感位置處互相關(guān)SNR進(jìn)一步降低，但其峰值仍清晰可見(jiàn)。

圖4 (a) 隨空間距離分布的瑞利散射信號(hào), (b) 單光纖位置處, (c) 三光纖位置處及 (d) 雙光纖位置處在5mm空間分辨率下的互相關(guān)計(jì)算結(jié)果

同樣的我們分別在四根光纖大約相同的位置處施加應(yīng)力，如圖5(a)所示每根光纖對(duì)應(yīng)的應(yīng)變分布情況在6mm空間分辨率下被清晰地解調(diào)出來(lái)。圖5(b)展示了不同空間分辨率下應(yīng)變測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差，可見(jiàn)三光纖并行時(shí)的測(cè)量精度進(jìn)一步降低，但在6-10mm的范圍內(nèi)與單光纖精度非常接近，這也說(shuō)明我們?nèi)阅茉趍m量級(jí)上準(zhǔn)確獲得三根光纖并行時(shí)的傳感信息，并且能夠采用如圖1(c)的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)四根(最多六根)光纖的同時(shí)測(cè)量，但是此時(shí)犧牲了一半的測(cè)量距離。

圖5 (a) 四光纖并行傳感的應(yīng)變分布, (b) 單光纖、雙光纖和三光纖的應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)差(Std)與空間分辨率的關(guān)系

04 應(yīng)用與展望

本文提出了一種基于單通道OFDR系統(tǒng)的多光纖并行傳感方案，利用每根光纖特有的瑞利背向散射特性作為識(shí)別傳感信息的關(guān)鍵特征，使用單個(gè)通道單次測(cè)量即可完成對(duì)由多根光纖組成的并行光纖網(wǎng)絡(luò)的分布式傳感。本方案利用現(xiàn)有的OFDR系統(tǒng)，無(wú)需任何額外的硬件修改即可實(shí)現(xiàn)多光纖并行傳感，為現(xiàn)有的傳感應(yīng)用提供了簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。

審核編輯：郭婷