【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，光電信息學院唐明、趙志勇團隊聯(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)實現(xiàn)了高頻率響應(yīng)、強魯棒性、高精度和大動態(tài)范圍的協(xié)同優(yōu)化，為分布式光纖傳感領(lǐng)域開辟了一種全新的實施范式。學院2023級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、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、能源管線安全監(jiān)測等領(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解調(diào)散射光譜的頻移精確表征外界擾動信息，是常用的高精度分布式定量測量技術(shù)。然而，現(xiàn)有頻移解調(diào)型傳感系統(tǒng)普遍依賴頻率掃描機制，耗時的逐頻掃描過程導致測量速度受限，難以滿足高頻振動監(jiān)測場景需求；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，在大振幅擾動條件下可靠性不佳，動態(tài)范圍受限。這些問題嚴重制約了相關(guān)技術(shù)在復雜動態(tài)環(huán)境中的進一步應(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)光譜反射儀實驗系統(tǒng)圖
 

　　針對上述瓶頸，研究團隊創(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載體，利用光頻梳多頻并行、相干穩(wěn)定的特性，實現(xiàn)對散射光譜的并行采樣，從原理上消除了傳統(tǒng)頻率掃描過程，使系統(tǒng)的有效采樣率不再受探測頻率數(shù)量限制，突破了探測速度和動態(tài)應(yīng)變測量范圍難以兼得的關(guān)鍵瓶頸，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度相比傳統(tǒng)逐頻掃描方案提升了一個數(shù)量級以上。
 

圖3 對高頻振動信號的測量結(jié)果
 

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

圖4 瑞利散射光譜及光譜互相關(guān)結(jié)果隨時間演化過程
 

　　該工作通過引入光頻梳并行光譜探測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、高精度與強魯棒性的高性能分布式傳感新范式。該成果為復雜動態(tài)環(huán)境下的高性能分布式光纖傳感提供了新思路，未來有望在地震監(jiān)測、重大工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測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、趙志勇團隊長期致力于“傳輸與感知一體化”智能光網(wǎng)絡(luò)、多維復用光纖傳感等方向研究。近五年在Science Advances、Light: Science & Applications等期刊及國際頂級會議上發(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錄，連續(xù)入選光通信頂級會議PDP(Post-Deadline-Paper)論文 (OFC2020 PDP、ECOC2021 PDP和OFC2022 PDP)。