01導(dǎo)讀

布里淵光時(shí)域分析儀（BOTDA）因其在長(zhǎng)距離分布式傳感中對(duì)溫度、應(yīng)變等多種參量的優(yōu)良性能表現(xiàn)，受到了廣泛研究與應(yīng)用。但其十分耗時(shí)的掃頻過程限制了系統(tǒng)的采樣速率，導(dǎo)致傳統(tǒng)BOTDA一般只能用于靜態(tài)測(cè)量。為實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，多種快速測(cè)量方案應(yīng)運(yùn)而生。其中，基于數(shù)字光頻梳的BOTDA無(wú)需掃頻，具有大動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍且能有效避免光功率抖動(dòng)引起的測(cè)量誤差。然而，該方案存在空間分辨率和頻率分辨率相矛盾的固有限制，致使系統(tǒng)空間分辨率嚴(yán)重受限，難以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。 針對(duì)上述問題，華中科技大學(xué)唐明教授、趙志勇副教授團(tuán)隊(duì)提出了基于捷變頻數(shù)字光頻梳的高空間分辨率快速BOTDA方案，通過將不同起始頻率的“稀疏”光頻梳作為探測(cè)光，依次掃描待測(cè)光纖的布里淵增益譜（BGS），在接收端進(jìn)行頻率相互交織形成“細(xì)密”測(cè)量光頻梳。可在不犧牲頻率分辨率的情況下，提升系統(tǒng)空間分辨率。此外，引入了二次方相位編碼對(duì)數(shù)字光頻梳進(jìn)行相位調(diào)制以提高信噪比。基于所提出的空間分辨率提升方案，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了10km光纖上系統(tǒng)的空間分辨率突破至5m，同時(shí)測(cè)量范圍達(dá)1GHz，頻率不確定性低于2MHz，且具有動(dòng)態(tài)測(cè)量能力。研究成果以“High spatial resolution fast BOTDA enabled by frequency-agility digital optical frequency comb”為題發(fā)表在Optics Letters期刊上。華中科技大學(xué)博士研究生何歡為論文的第一作者，趙志勇副教授為論文的通訊作者。

02研究背景

基于受激布里淵散射效應(yīng)（SBS）的BOTDA由于傳感距離長(zhǎng)、測(cè)量精度高和抗電磁干擾等優(yōu)勢(shì)，被廣泛用于建筑防護(hù)、管道監(jiān)測(cè)、火災(zāi)報(bào)警等諸多領(lǐng)域。依賴于對(duì)向傳播的探測(cè)光和泵浦光在待測(cè)光纖中引起SBS，傳統(tǒng)BOTDA通過掃描探測(cè)光的頻率來獲得BGS，從而解調(diào)出沿光纖鏈路的溫度或應(yīng)變信息。但是微波源的頻率切換速度較慢，導(dǎo)致掃頻操作非常耗時(shí)，極大地限制了傳感系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)速度。為了提升測(cè)量速度，多種動(dòng)態(tài)測(cè)量的實(shí)施方案被提出，主要包括斜坡輔助、數(shù)字光頻梳、捷變頻和光學(xué)啁啾鏈技術(shù)等。其中，基于數(shù)字光頻梳的BOTDA利用光頻梳的多個(gè)梳齒在頻域上進(jìn)行簡(jiǎn)單處理即可一次性地獲得整段光纖的分布式BGS，避免了時(shí)域上光功率抖動(dòng)引起的測(cè)量誤差，且測(cè)量范圍易擴(kuò)展，適用于大動(dòng)態(tài)范圍的快速測(cè)量。然而，受快速傅里葉變換限制，系統(tǒng)空間分辨率與頻率分辨率相矛盾，一般只能達(dá)到幾十米。針對(duì)這一問題，多個(gè)課題組分別提出了多泵浦脈沖和脈沖編碼等解決方案來提升空間分辨率，但系統(tǒng)空間分辨率仍舊不低于10m，對(duì)實(shí)際應(yīng)用而言顯得有些力不從心。 因此，如何進(jìn)一步提升空間分辨率是亟待解決的重要問題。本團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將數(shù)字光頻梳技術(shù)和捷變頻技術(shù)相融合，使得系統(tǒng)空間分辨率達(dá)到5m新紀(jì)錄，且系統(tǒng)傳感精度可靈活配置，為基于數(shù)字光頻梳的快速BOTDA提供了一種極具競(jìng)爭(zhēng)力的空間分辨率提升方案。

03創(chuàng)新研究

3.1 捷變頻數(shù)字光頻梳

何為捷變頻？即快速變化的頻率，在BOTDA中通過將掃頻波形加載至任意波形發(fā)生器從而替代微波源來實(shí)現(xiàn)快速頻率切換。何為數(shù)字光頻梳？即像梳子一樣具有多個(gè)頻率梳齒且間隔穩(wěn)定的的光信號(hào)，由數(shù)字信號(hào)通過光調(diào)制生成。與傳統(tǒng)BOTDA不同的是，基于數(shù)字光頻梳的BOTDA的空間分辨率并非由泵浦光的脈沖寬度決定，而是由作為探測(cè)光的光頻梳的幀長(zhǎng)度決定，但幀長(zhǎng)度與梳齒頻率間隔成反比。因此若要保持高空間分辨率，梳齒頻率間隔就要足夠大。本團(tuán)隊(duì)提出的捷變頻數(shù)字光頻梳技術(shù)將多個(gè)大頻率間隔的數(shù)字光頻梳依次作為探測(cè)光以保證系統(tǒng)具有高空間分辨率，在接收端相互交織形成更精細(xì)的頻率梳以補(bǔ)償系統(tǒng)的頻率分辨率，便可在不犧牲系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確度的情況下進(jìn)一步提升空間分辨率。 捷變頻數(shù)字光頻梳通過快速切換具有相同頻率間隔但不同起始頻率的數(shù)字光頻梳，依次加載到探測(cè)信號(hào)端，在待測(cè)光纖中與泵浦光發(fā)生SBS作用后，經(jīng)電域探測(cè)后在頻域上進(jìn)行頻率交織，從而增加測(cè)量BGS的頻率分量。關(guān)鍵問題在于捷變頻數(shù)字光頻梳的電域探測(cè)，由于起始頻率不同，利用頻率固定的載波或本振光進(jìn)行相干拍頻的傳統(tǒng)做法并不可取。既然載波難以變化，那就只能“自帶”頻率相應(yīng)變化的本振光。通過插入一個(gè)可移動(dòng)的、功率更高的余弦信號(hào)作為每個(gè)光頻梳的本振光，經(jīng)電域探測(cè)后的拍頻信號(hào)都具有相同的頻率間隔和起始頻率，從而按照移頻順序?qū)崿F(xiàn)頻率交織。該方法無(wú)需改變系統(tǒng)的原有架構(gòu)，對(duì)數(shù)字光頻梳的基帶信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單預(yù)處理即可靈活配置系統(tǒng)傳感精度，為解決系統(tǒng)空間分辨率受限問題提供了一種巧妙的新途徑。

圖1基于捷變頻數(shù)字光頻梳的BOTDA原理圖

圖源:Optics Letters (2022)

https://doi.org/10.1364/OL.458100 (Fig. 1)

3.2二次方相位調(diào)制

梳齒的相位分布直接影響著光頻梳的峰均功率比（PAPR），具有恒定或線性相位分布的光頻梳在時(shí)域上表現(xiàn)為高PAPR的極窄脈沖，會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的傳感精度。數(shù)字光頻梳的PAPR可以通過基帶信號(hào)的相位編碼來進(jìn)行調(diào)控。一種常見的編碼方法是采用均勻分布的隨機(jī)相位編碼，在梳齒數(shù)量足夠的情況下可降低峰值功率，但性能有限且難以找到最優(yōu)分布。為保障系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確度，本團(tuán)隊(duì)引入二次方相位編碼用于捷變頻數(shù)字光頻梳的相位調(diào)制以提高信噪比，即單個(gè)梳齒的相位正比于梳齒序號(hào)的平方，簡(jiǎn)單且有效地降低了探測(cè)光的PAPR。 如圖2(a)所示，探測(cè)光由具有50個(gè)梳齒和20MHz頻率間隔的5個(gè)不同數(shù)字光頻梳組成，光頻梳之間的初始頻率差為4MHz。盡管額外的本振項(xiàng)會(huì)影響PAPR，但二次方相位調(diào)制信號(hào)的PAPR仍比隨機(jī)相位調(diào)制信號(hào)低3dB，比線性相位調(diào)制信號(hào)低10dB。圖2(b)和圖2(c)分別顯示了具有隨機(jī)相位分布和二次方相位分布的接收信號(hào)功率譜。顯然，使用二次方相位編碼的數(shù)字光頻梳接收信號(hào)功率更高、更平坦，為提升系統(tǒng)測(cè)量精度提供了一種簡(jiǎn)便的新方法。

圖2信號(hào)功率譜:(a)探測(cè)光基帶信號(hào) (b)隨機(jī)相位編碼的接收信號(hào) (c)二次方相位編碼的接收信號(hào)

圖源:Optics Letters (2022)

https://doi.org/10.1364/OL.458100 (Fig. 2)

3.3高空間分辨率快速BOTDA

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示，采用上述5個(gè)不同數(shù)字光頻梳的探測(cè)光配置，對(duì)應(yīng)5m空間分辨率和4MHz頻率分辨率。通過調(diào)整泵浦脈沖的時(shí)延，不同的數(shù)字光頻梳在10km單模光纖中經(jīng)SBS作用后，在BGS帶寬內(nèi)獲得不同程度的增益，由直接探測(cè)得到拍頻信號(hào)并進(jìn)行解調(diào)。經(jīng)時(shí)鐘同步后，每個(gè)頻率梳的振幅和相位信息由快速傅里葉變換獲得。然后，接收到的各頻率梳根據(jù)移頻順序進(jìn)行相互交織，以重建頻率間隔更小的精細(xì)頻率梳，利用無(wú)增益的信號(hào)作為背景噪聲，通過信道估計(jì)即可提取出BGS和布里淵相移譜（BPS），最后擬合計(jì)算得到沿光纖鏈路的BFS分布。

圖3基于捷變頻數(shù)字光頻梳的BOTDA系統(tǒng)圖

圖源: Optics Letters (2022)

https://doi.org/10.1364/OL.458100 (Fig. 3)

系統(tǒng)的單次測(cè)量時(shí)間為25ms，單個(gè)傳感點(diǎn)的BGS和BPS測(cè)量結(jié)果如圖4所示，洛倫茲擬合曲線的3dB帶寬約為35MHz。單個(gè)大頻率間隔的數(shù)字光頻梳只能獲取少量增益信息，但頻率交織使得頻率間隔縮小到4MHz，方可得到精確的測(cè)量結(jié)果。得益于二次方相位調(diào)制，系統(tǒng)沿光纖鏈路的BFS不確定性始終低于2MHz。

圖4(a)測(cè)量BGS及擬合結(jié)果 (b)測(cè)量BPS及擬合結(jié)果

圖源: Optics Letters (2022)

https://doi.org/10.1364/OL.458100 (Fig. 4)

為測(cè)試系統(tǒng)的傳感性能，在光纖遠(yuǎn)端設(shè)置一個(gè)5m的加熱點(diǎn)。溫度測(cè)量結(jié)果如圖5(a)所示，可以看出系統(tǒng)對(duì)溫度變化具有良好的線性響應(yīng)，最大測(cè)量誤差約為0.6℃。此外，將兩段相鄰的5米光纖依次作為加熱點(diǎn)，圖5(b)表明系統(tǒng)可準(zhǔn)確識(shí)別相鄰加熱點(diǎn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)具有5米的空間分辨率。

圖5(a)溫度測(cè)量結(jié)果，(b)相鄰加熱點(diǎn)的BFS分布

圖源: Optics Letters (2022)

https://doi.org/10.1364/OL.458100 (Fig. 6)

最后，為驗(yàn)證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測(cè)量能力，使用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器（PZT）進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試。測(cè)量結(jié)果如圖6所示，表明系統(tǒng)具有大測(cè)量范圍且采樣速率達(dá)40Hz。可以結(jié)合偏振復(fù)用和相干檢測(cè)等技術(shù)，進(jìn)一步提升系統(tǒng)采樣速率。

圖6(a)沿光纖鏈路的BGS分布 (b)10Hz方波測(cè)量結(jié)果

圖源: Optics Letters (2022)

https://doi.org/10.1364/OL.458100 (Fig. 7)

04應(yīng)用與展望

本團(tuán)隊(duì)提出了一種基于捷變數(shù)字光頻梳的高分辨率快速BOTDA，在保持良好測(cè)量精確度下有效規(guī)避了空間分辨率受限的技術(shù)瓶頸，同時(shí)引入二次方相位編碼優(yōu)化了探測(cè)光的PAPR。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)在10km光纖上具有5m空間分辨率和40Hz采樣速率。若想進(jìn)一步提升空間分辨率，可以使用更多的捷變頻數(shù)字光頻梳，但會(huì)以增加測(cè)量時(shí)間為代價(jià)。系統(tǒng)傳感精度可針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行靈活配置，在未來大動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)傳感方面具有重要研究意義和廣闊應(yīng)用前景。

審核編輯 ：李倩