研究人員開(kāi)發(fā)出跨度更大分辨率更高的光纖傳感器

　　ICCSZ訊  為了修復老化的基礎設施，監測現有的橋梁、大壩及其他大型建筑，分布式光纖傳感器需要一種新型光源以監測建筑承受的應力和溫度變化。然而，這種常見(jiàn)的光纖傳感器——基于受激布里淵散射(SBS)的非線(xiàn)性光學(xué)現象——受到難以克服的空間范圍和分辨率的限制。

　　目前，西班牙和瑞士的研究人員已經(jīng)解決了這些困難，他們研究出了一種在較短的時(shí)間內能夠在10公里的范圍內，厘米級的空間分辨率下檢測出百萬(wàn)分之一的溫度或應力變化的方法。該團隊認為，該方案的分辨率之高使其能夠在長(cháng)距離的基礎設施監控和更精密的生物醫學(xué)環(huán)境中找到用武之地。

　　信號失真

　　SBS光纖傳感器通過(guò)發(fā)送脈沖激光信號，即抽運脈沖，通過(guò)一定長(cháng)度的光纖傳播后與反向傳播的連續波(CW)探針激光束相遇。(實(shí)際上，為了防止某些系統誤差，這些系統通常使用兩個(gè)CW探針波，并用與光纖材料特性相關(guān)的調制頻率將兩列波區分開(kāi)，即所謂的雙邊帶方法。)抽運脈沖與光纖的非線(xiàn)性相互作用產(chǎn)生受激布里淵散射(SBS)，非彈性斯托克斯和反斯托克斯散射，這種散射將會(huì )改變脈沖光信號的頻率分布。這種所謂的布里淵頻移取決于隨應力和溫度變化的光纖的材料性質(zhì);因此，可以通過(guò)對布里淵頻移的分析來(lái)檢測沿著(zhù)光纖長(cháng)度的那些參數的變化。

　　一支西班牙與瑞士聯(lián)合研究團隊設想將其改良光纖傳感方法應用于大規模的基礎設施項目和生物醫學(xué)監測中。(圖片來(lái)源：美國光學(xué)學(xué)會(huì ))

　　雖然基于SBS的光纖傳感已經(jīng)在各種基礎設施的建設中找到了用武之地，但它仍然存在一些問(wèn)題。其中一個(gè)問(wèn)題就是監測范圍有限。最近的分析表明，跨度達數公里的探頭所需要的功率(以及光纖所受應力和溫度變化)可能會(huì )使抽運脈沖信號失真，嚴重影響對布里淵頻移的精確探測。

　　另一個(gè)問(wèn)題是有限的空間分辨率。因為SBS依賴(lài)于非線(xiàn)性的光與物質(zhì)相互作用以產(chǎn)生聲波，因此在時(shí)域技術(shù)中存在空間分辨率上微小但十分明顯的時(shí)滯。在頻率和相關(guān)域中的其他技術(shù)能夠彌補SBS的缺點(diǎn)，但需要的時(shí)間更久——測量沿光纖分布的一百萬(wàn)個(gè)點(diǎn)大約需要一個(gè)小時(shí)或更長(cháng)的時(shí)間。

　　關(guān)于掃描的問(wèn)題

　　西班牙與瑞士的聯(lián)合研究團隊，以及西班牙阿爾卡拉大學(xué)和瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL)的科學(xué)家們似乎已經(jīng)找到了解決這些問(wèn)題的方法。他們通過(guò)深入研究信號掃描的實(shí)際細節，進(jìn)而得出與應力或溫度變化相關(guān)的布里淵頻移。

　　在大多數時(shí)域下基于SBS的光纖傳感方案中，頻移是通過(guò)對稱(chēng)地掃描兩個(gè)邊帶探測光束相對于固定抽運脈頻率的偏移來(lái)確定的。然而，事實(shí)證明，這種掃描方法是高探頭功率下脈沖失真的主要來(lái)源。這是因為兩個(gè)探頭邊帶和抽運脈沖之間難以量化的不對稱(chēng)能量傳遞——隨著(zhù)探頭功率的增加而增加的效應。

　　聯(lián)合研究團隊發(fā)現，通過(guò)改變掃描方法，使得邊帶探測光束保持固定的頻率差(與光纖的斯托克斯和反斯托克斯頻率相關(guān))，并且用關(guān)聯(lián)頻率對輸入抽運波束掃描——這能夠顯著(zhù)降低信號失真。這種方法意味著(zhù)探測光束功率上限變得更高，進(jìn)而光纖傳感系統的跨度變得更長(cháng)。此外，通過(guò)消除抽運脈沖中的信號失真，該系統也具有了更高的空間分辨率。

　　在新技術(shù)中，并非使用相對固定頻率抽運脈沖進(jìn)行掃描，而是使兩個(gè)邊帶探測光束在斯托克斯和反斯托克斯頻率下保持穩定，從而消除了抽運脈沖中的電位失真。在適當的頻率范圍內對抽運脈沖進(jìn)行掃描以得到布里淵頻率響應。(圖片由A. Dominguez-Lopez等提供)

　　分辨率可達一厘米

　　研究人員用差分脈沖寬度對，布里淵光學(xué)時(shí)域分析(DPP-BOTDA)實(shí)驗測試了10千米長(cháng)的單模光纖。他們發(fā)現，該方法能夠探測沿光纖分布的一百萬(wàn)個(gè)點(diǎn)的布里淵頻移，分辨率可達一厘米，并且能夠在光纖的遠端檢測到3厘米的“熱點(diǎn)”。而且，由于系統保持在時(shí)域，該方法能夠在20分鐘內實(shí)現這些功能，遠少于在使用頻率相關(guān)域方法時(shí)所花費的時(shí)間。

　　該研究團隊認為，除了基礎設施中的應用之外，該技術(shù)還可以在其他領(lǐng)域中使用。新聞稿的主要作者，阿爾卡拉大學(xué)的Alejandro Dominguez-Lopez聲稱(chēng)：“由于我們擁有如此大的監測點(diǎn)密度，傳感器也可以用于諸如航空電子和航空航天等領(lǐng)域，用以監控每一寸飛機機翼。”研究人員們還認為，該系統的較高分辨率或許能促進(jìn)某些生物醫學(xué)應用發(fā)展，例如檢測乳腺癌中存在的溫度偏差。