【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，光電信息學(xué)院唐明、趙志勇團(tuán)隊(duì)聯(lián)合智利Universidad Técnica Federico Santa María研究人員提出了一種基于數(shù)字光頻梳的頻梳相關(guān)光譜反射儀分布式光纖聲波傳感技術(shù)。研究成果發(fā)表在國(guó)際頂尖期刊Light: Science & Applications上，題為“基于頻梳譜相關(guān)分析儀的分布式光纖傳感”(Frequency-comb enabled spectrum-correlation reflectometry for distributed fiber-optic sensing)。
 

　　該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高頻率響應(yīng)、強(qiáng)魯棒性、高精度和大動(dòng)態(tài)范圍的協(xié)同優(yōu)化，為分布式光纖傳感領(lǐng)域開(kāi)辟了一種全新的實(shí)施范式。學(xué)院2023級(jí)博士生林忠鴻為論文第一作者，趙志勇、唐明為共同通訊作者。
 

　　分布式光纖傳感技術(shù)是地震監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、能源管線安全監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的重要技術(shù)手段。其中，基于瑞利散射頻譜分析的分布式光纖傳感方法能夠通過(guò)解調(diào)散射光譜的頻移精確表征外界擾動(dòng)信息，是常用的高精度分布式定量測(cè)量技術(shù)。然而，現(xiàn)有頻移解調(diào)型傳感系統(tǒng)普遍依賴(lài)頻率掃描機(jī)制，耗時(shí)的逐頻掃描過(guò)程導(dǎo)致測(cè)量速度受限，難以滿足高頻振動(dòng)監(jiān)測(cè)場(chǎng)景需求；基于相位解調(diào)的方案雖具備較高響應(yīng)頻率，卻容易受到相位纏繞和干涉衰落的影響，在大振幅擾動(dòng)條件下可靠性不佳，動(dòng)態(tài)范圍受限。這些問(wèn)題嚴(yán)重制約了相關(guān)技術(shù)在復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境中的進(jìn)一步應(yīng)用。
 

圖1 頻梳相關(guān)光譜反射儀方案原理圖
 

圖2 頻梳相關(guān)光譜反射儀實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖
 

　　針對(duì)上述瓶頸，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出基于數(shù)字光頻梳的頻梳相關(guān)光譜反射儀技術(shù)。該技術(shù)引入數(shù)字光頻梳作為并行光譜探測(cè)載體，利用光頻梳多頻并行、相干穩(wěn)定的特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)散射光譜的并行采樣，從原理上消除了傳統(tǒng)頻率掃描過(guò)程，使系統(tǒng)的有效采樣率不再受探測(cè)頻率數(shù)量限制，突破了探測(cè)速度和動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量范圍難以兼得的關(guān)鍵瓶頸，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度相比傳統(tǒng)逐頻掃描方案提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。
 

圖3 對(duì)高頻振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量結(jié)果
 

　　在該技術(shù)方案中，光頻梳信號(hào)的設(shè)計(jì)和生成是純數(shù)字的，因而具備可編輯性和高度的靈活性，能夠通過(guò)改變參數(shù)配置滿足不同傳感場(chǎng)景下的性能需求，因而與現(xiàn)有分布式光纖傳感系統(tǒng)有很好的兼容性。該方案單次測(cè)量即可獲得寬帶的瑞利散射光譜，其信號(hào)解調(diào)不依賴(lài)相鄰采樣點(diǎn)間的信號(hào)連續(xù)性，因而不受相位累積恢復(fù)過(guò)程的回轉(zhuǎn)速率限制，系統(tǒng)對(duì)高頻振動(dòng)信號(hào)的應(yīng)變測(cè)量范圍相比傳統(tǒng)的相位解調(diào)方案也實(shí)現(xiàn)了數(shù)量級(jí)的提升。
 

圖4 瑞利散射光譜及光譜互相關(guān)結(jié)果隨時(shí)間演化過(guò)程
 

　　該工作通過(guò)引入光頻梳并行光譜探測(cè)與頻率交織配置方案，從根本上突破了現(xiàn)有頻移解調(diào)型分布式光纖傳感領(lǐng)域內(nèi)“速度—精度—穩(wěn)定性”難以兼顧的技術(shù)瓶頸，提供了兼顧高速率、大范圍、高精度與強(qiáng)魯棒性的高性能分布式傳感新范式。該成果為復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境下的高性能分布式光纖傳感提供了新思路，未來(lái)有望在地震監(jiān)測(cè)、重大工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)以及能源與交通基礎(chǔ)設(shè)施安全等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
 

　　據(jù)悉，唐明、趙志勇團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于“傳輸與感知一體化”智能光網(wǎng)絡(luò)、多維復(fù)用光纖傳感等方向研究。近五年在Science Advances、Light: Science & Applications等期刊及國(guó)際頂級(jí)會(huì)議上發(fā)表多篇論文。取得的單波800 Gb/s自相干超高速光傳輸?shù)却硇猿晒啻嗡⑿率澜缂o(jì)錄，連續(xù)入選光通信頂級(jí)會(huì)議PDP(Post-Deadline-Paper)論文 (OFC2020 PDP、ECOC2021 PDP和OFC2022 PDP)。