【期刊】上海交通大学樊昕昱等：利用瑞利散射光的布里渊放大实现动静态变量的同时分布式测量

研究意义

分布式光纤传感 (DFOS) 技术已广泛应用于多个领域。这种技术主要通过分析光纤中的三种后向散射：瑞利散射、布里渊散射以及拉曼散射来实现。传统的传感系统只能测量一种参数，如温度、应变等静态变量，或振动等动态变量。然而，在许多应用中，例如铁路安全监测系统，不仅需要监测振动用于预警，还需要采集温度及应变等静态变量进行长期分析。因此需要有一套可以同时实现动静态变量测量的传感系统，，且希望系统能具有长距离测量的能力和单端接入的特点，从而更适合于实际工程应用。

本文工作

为了能在一套系统中实现对动静态变量的同时测量，本文提出了一套结合相位敏感光时域反射仪（φ-OTDR，测量动态变量）和布里渊光时域分析仪（BOTDA，测量静态变量）的长距离分布式光纤传感系统。该系统不同于传统分布式光纤传感系统（每次探测打入一个脉冲），在每次探测时打入一个脉冲对，两者之间的光频差在光纤布里渊频移附近，使前一个脉冲的瑞利散射光可以被后一个脉冲经由受激布里渊效应进行放大。因此，仅需在接收端接收前一个脉冲的瑞利散射信号，即可通过分析瑞利散射信号的相位和幅度，实现光纤的动静态变量同时测量。

本文的创新点如下：

1.    利用瑞利散射光作为BOTDA系统的探测光，使两套系统可以同时工作，且无需高带宽、高采样率的接收端。

2.    实现了单端接入且长距离的动静态变量同时测量。

3.    仅使用一个光源和一个接收端，大大降低了系统的复杂程度。

实验结果

如图1(a)所示，系统在约10 km长的光纤上进行了动静态变量同时测量的实验。光纤末端设置水浴锅和压电陶瓷分别改变温度和施加振动。振动施加范围长度为5 m，温度变化区域长度为80 m。振动测量的空间分辨率为10 m，温度测量的空间分辨率为5 m。

实验结果如图1(b)-(e)所示。对温度测量结果进行260次的平均和洛伦兹拟合，得到了1.38 MHz的布里渊频移测量精度。改变水浴锅的设置温度，对不同温度测量结果进行分析，获得良好的线性度，温度系数测量值为1.08 MHz/℃。对于振动测量，系统能准确还原压电陶瓷上施加的频率3 kHz正弦振动，通过对应变谱密度的分析得出振动测量的信噪比为22.1 dB。

实验证明了本方案所提出的系统能同时实现对沿长距离光纤分布的多种类变量同时测量。系统结构简单，仅需单端接入，非常适合于实际工程应用。

Linjing HUANG, Zuyuan HE & Xinyu FAN. Simplified single-end Rayleigh and Brillouin hybrid distributed fiber-optic sensing system. Sci China Inf Sci, DOI: 10.1007/s11432-022-3554-0

作者简介

樊昕昱

上海交通大学，教授，博士生导师

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