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研究人員開(kāi)發(fā)出跨度分辨率更高的光纖傳感器
來(lái)源:賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2017/5/16


  為了修復(fù)老化的基礎(chǔ)設(shè)施,監(jiān)測(cè)現(xiàn)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(jiān)測(cè)建筑承受的應(yīng)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)的非線性光學(xué)現(xiàn)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(nèi)能夠在10公里的范圍內(nèi),厘米級(jí)的空間分辨率下檢測(cè)出百萬(wàn)分之一的溫度或應(yīng)力變化的方法。該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為,該方案的分辨率之高使其能夠在長(zhǎng)距離的基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控和更精密的生物醫(yī)學(xué)環(huán)境中找到用武之地。


  信號(hào)失真


  SBS光纖傳感器通過(guò)發(fā)送脈沖激光信號(hào),即抽運(yùn)脈沖,通過(guò)一定長(zhǎng)度的光纖傳播后與反向傳播的連續(xù)波(CW)探針激光束相遇。(實(shí)際上,為了防止某些系統(tǒng)誤差,這些系統(tǒng)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(diào)制頻率將兩列波區(qū)分開(kāi),即所謂的雙邊帶方法。)抽運(yùn)脈沖與光纖的非線性相互作用產(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(hào)的頻率分布。這種所謂的布里淵頻移取決于隨應(yīng)力和溫度變化的光纖的材料性質(zhì);因此,可以通過(guò)對(duì)布里淵頻移的分析來(lái)檢測(cè)沿著光纖長(zhǎng)度的那些參數(shù)的變化。



  一支西班牙與瑞士聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)設(shè)想將其改良光纖傳感方法應(yīng)用于大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目和生物醫(yī)學(xué)監(jiān)測(cè)中。(圖片來(lái)源:美國(guó)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(chǔ)設(shè)施的建設(shè)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(jiān)測(cè)范圍有限。最近的分析表明,跨度達(dá)數(shù)公里的探頭所需要的功率(以及光纖所受應(yīng)力和溫度變化)可能會(huì)使抽運(yùn)脈沖信號(hào)失真,嚴(yán)重影響對(duì)布里淵頻移的精確探測(cè)。


  另一個(gè)問(wèn)題是有限的空間分辨率。因?yàn)镾BS依賴(lài)于非線性的光與物質(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(bǔ)SBS的缺點(diǎn),但需要的時(shí)間更久——測(cè)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(zhǎng)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(tuán)隊(duì),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(hào)掃描的實(shí)際細(xì)節(jié),進(jìn)而得出與應(yīng)力或溫度變化相關(guān)的布里淵頻移。


  在大多數(shù)時(shí)域下基于SBS的光纖傳感方案中,頻移是通過(guò)對(duì)稱(chēng)地掃描兩個(gè)邊帶探測(cè)光束相對(duì)于固定抽運(yùn)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?yàn)閮蓚(gè)探頭邊帶和抽運(yùn)脈沖之間難以量化的不對(duì)稱(chēng)能量傳遞——隨著探頭功率的增加而增加的效應(yīng)。


  聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),通過(guò)改變掃描方法,使得邊帶探測(cè)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(duì)輸入抽運(yùn)波束掃描——這能夠顯著降低信號(hào)失真。這種方法意味著探測(cè)光束功率上限變得更高,進(jìn)而光纖傳感系統(tǒng)的跨度變得更長(zhǎng)。此外,通過(guò)消除抽運(yùn)脈沖中的信號(hào)失真,該系統(tǒng)也具有了更高的空間分辨率。


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


  分辨率可達(dá)一厘米


  研究人員用差分脈沖寬度對(duì),布里淵光學(xué)時(shí)域分析(DPP-BOTDA)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了10千米長(zhǎng)的單模光纖。他們發(fā)現(xiàn),該方法能夠探測(cè)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(dá)一厘米,并且能夠在光纖的遠(yuǎn)端檢測(cè)到3厘米的“熱點(diǎn)”。而且,由于系統(tǒng)保持在時(shí)域,該方法能夠在20分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)這些功能,遠(yuǎn)少于在使用頻率相關(guān)域方法時(shí)所花費(fèi)的時(shí)間。


  該研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為,除了基礎(chǔ)設(shè)施中的應(yīng)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(jiān)測(cè)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(jiān)控每一寸飛機(jī)機(jī)翼!毖芯咳藛T們還認(rèn)為,該系統(tǒng)的較高分辨率或許能促進(jìn)某些生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用發(fā)展,例如檢測(cè)乳腺癌中存在的溫度偏差。


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