一種基于單脈沖自差分（MPSD）的厘米級空間分辨率BOTDA傳感方案

01導(dǎo)讀

基于布里淵光時域分析技術(shù)（BOTDA）的分布式光纖傳感儀由于其具有長距離和高精度測量的優(yōu)勢已被廣泛的應(yīng)用于大型基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等領(lǐng)域。

在傳統(tǒng)的BOTDA系統(tǒng)中，受限于10 ns的聲子壽命，空間分辨難以突破1 m，然而空間分辨率是探測小尺寸溫度或應(yīng)變事件的關(guān)鍵因素。

針對上述問題，太原理工大學(xué)張明江教授團(tuán)隊提出了一種基于單脈沖自差分（MPSD）的厘米級空間分辨率BOTDA傳感方案。

該方案通過將傳統(tǒng)BOTDA方案中單發(fā)長脈沖產(chǎn)生的時域曲線進(jìn)行自差分，實驗基于40 ns脈沖在約2 km傳感光纖上實現(xiàn)了5 cm空間分辨率的溫度測量。該方案簡單易操作，空間分辨率與脈沖寬度無關(guān)且可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求進(jìn)行調(diào)節(jié)而無需硬件修改，突破了脈沖寬度對空間分辨率的限制，極大地促進(jìn)了BOTDA分布式光纖傳感系統(tǒng)的實用性。

02研究背景

分布式光纖傳感技術(shù)因可實現(xiàn)光纖沿線任意位置多種物理量的實時監(jiān)測，成為國內(nèi)外研究和發(fā)展的重點。其關(guān)鍵性能指標(biāo)（包括傳感距離、測量精度、空間分辨率和測量時間）的優(yōu)化也是研究者們創(chuàng)新的熱點。

基于布里淵散射光時域分析的傳感系統(tǒng)具有長傳感距離和高測量精度的優(yōu)勢，但在實際應(yīng)用中高空間分辨率的監(jiān)測顯得尤為重要，在傳統(tǒng)系統(tǒng)中采用脈沖激光作為傳感信號，利用脈沖飛行法確定傳感光纖中待測物理量變化的位置，因脈沖寬度受布里淵聲波場聲子壽命的限制空間分辨率無法突破1m，導(dǎo)致微小尺寸的事件區(qū)無法及時識別而引發(fā)災(zāi)害。

為提高BOTDA系統(tǒng)的空間分辨率，多種優(yōu)化方案被提出。聲波場預(yù)激發(fā)技術(shù)，在傳感脈沖光前增加一段寬脈寬的預(yù)泵浦脈沖光，預(yù)先激發(fā)出穩(wěn)定的聲波場從而克服聲子壽命的限制實現(xiàn)亞米級的空間分辨率。差分脈沖對技術(shù)，通過兩個長脈沖產(chǎn)生的時域曲線差分實現(xiàn)了厘米級空間分辨率，其空間分辨率是由兩個寬脈沖寬度差決定。

該方案是目前普遍使用，易操作且有效的高空間分辨率方案。信號后處理技術(shù)，通過對采集的單脈沖時域曲線進(jìn)行算法解調(diào)（例如上升沿解調(diào)算法）從而實現(xiàn)厘米級甚至毫米級的空間分辨率。

本方案中提出了一種基于單發(fā)長脈沖自差分的厘米級空間分辨率方案，其原理簡單易操作且空間分辨率與系統(tǒng)的采樣率成正比，突破了脈沖寬度的限制，在傳統(tǒng)BOTDA系統(tǒng)中實現(xiàn)了厘米級的空間分辨率。

03創(chuàng)新研究

3.1 基于單脈沖自差分方案的高空間分辨率解調(diào)原理

本文首先分析了傳統(tǒng)的BOTDA傳感系統(tǒng)中時域曲線的產(chǎn)生過程，如圖1所示。當(dāng)脈沖寬度遠(yuǎn)大于事件區(qū)長度時，隨著長泵浦脈沖傳輸經(jīng)過溫度變化區(qū)（位置a-d），在溫度區(qū)最佳增益頻率下采集的時域曲線如藍(lán)色曲線所示，可以得到溫度區(qū)時域曲線的上升沿和下降沿所對應(yīng)的空間尺度理論上等于事件區(qū)的長度。

但是考慮到在實驗中使用泵浦光為非理想矩形脈沖，同時受到系統(tǒng)采集帶寬和光纖中噪聲的影響，時域曲線的上升或下降沿不能直接作為事件區(qū)準(zhǔn)確測量的工具。

基于此，本團(tuán)隊提出了單脈沖自差分方案，通過解調(diào)時域曲線下降沿進(jìn)行事件區(qū)的識別（在此處考慮到泵浦脈沖進(jìn)入事件區(qū)的過程中伴隨著聲波場的建立，產(chǎn)生的上升沿變化緩慢，將會帶來較大的誤差，而當(dāng)脈沖離開事件區(qū)時，聲波場會迅速消失），具體下降沿的解調(diào)是基于前向差分的原理，通過將傳統(tǒng)BOTDA方案中長脈沖產(chǎn)生的時域曲線和其向前位移后產(chǎn)生的曲線進(jìn)行差分來實現(xiàn)，其理論示意圖如圖1所示。

通過分析得出，當(dāng)差分的距離等于事件區(qū)長度時，空間分辨率等于差分距離（由差分曲線的上升沿確定），同時差分曲線的半高全寬等于事件區(qū)長度即事件區(qū)的測量可通過對差分曲線半高全寬的解調(diào)得到，且此時差分曲線有較高的幅值可得到較高的解調(diào)精度。



圖1 單脈沖自差分原理圖

假設(shè)系統(tǒng)的采樣率為Q，則每一個采樣點對應(yīng)的空間長度為：



當(dāng)前向差分的距離不超過事件區(qū)長度時，其空間分辨率表示為：



其中，νg為光在光纖中的傳播速度，M是前向差分的點數(shù)，s為前向差分的距離。

例如，當(dāng)采樣率為10 GSa/s時，系統(tǒng)的最高采樣率為1 cm。因此在該方案中，系統(tǒng)的空間分辨率與脈沖寬度無關(guān)，與系統(tǒng)采樣率成正比。 同時該方案中溫度區(qū)的定位公式如下：



其中，為長脈沖寬度，根據(jù)該公式可以獲得溫度變化區(qū)的起始位置。

3.2單脈沖自差分方案的測試結(jié)果

實驗設(shè)置傳感光纖總長度為2 km，末端設(shè)置溫度變化區(qū)長度為5 cm，使用長脈沖寬度為40 ns，示波器采樣率為20 GSa/s。

如圖2所示，前向差分點數(shù)M分別為5、10和20時得到的結(jié)果與前述理論分析相一致，進(jìn)一步證明了該方案的可行性，即可以通過差分曲線的半高全寬解調(diào)得到事件區(qū)的長度。

此時理論上系統(tǒng)的最大空間分辨率為0.5 cm，但是由于系統(tǒng)噪聲和采集帶寬的影響僅實現(xiàn)了空間分辨率為5 cm的測量。

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圖2 MPSD-BOTDA實驗結(jié)果。

(a) M=10時前向差分前后的時域曲線, 事件區(qū)局部放大圖(b) M=5, (b) M=10, (d) M=20.

光纖沿線布里淵頻移的2維分布如圖3所示，在傳統(tǒng)BOTDA系統(tǒng)中無法識別到5 cm的溫度變化區(qū)；經(jīng)過前向差分處理后可以清晰的觀察到5 cm的溫度變化區(qū)。

同時可以看到在本方案中，經(jīng)過前向差分處理后的非事件區(qū)的時域信號會被消除，僅在事件區(qū)的信號被保留和精確解調(diào)。

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圖3 傳感光纖沿線布里淵頻移2維分布圖. (a) 傳統(tǒng)BOTDA系統(tǒng), (b) MPSD-BOTDA系統(tǒng).

圖4為 2 km光纖沿線布里淵頻移的解調(diào)結(jié)果，其中溫度區(qū)的信息是由前向差分后的數(shù)據(jù)解調(diào)得到，非溫度區(qū)的信號由傳統(tǒng)BOTDA系統(tǒng)采集的原始數(shù)據(jù)解調(diào)得到。

測量得到溫度變化區(qū)的長度為5.11cm，布里淵頻移差約為59.26MHz，與施加的溫度區(qū)長度和60℃的溫度差相符。

本方案在傳統(tǒng)BOTDA系統(tǒng)中基于單發(fā)長脈沖實現(xiàn)了厘米級空間分辨率的溫度傳感。

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圖4MPSD-BOTDA方案中傳感光纖沿線布里淵頻移解調(diào)結(jié)果.

04應(yīng)用與展望

本文提出了一種基于單脈沖自差分的厘米級空間分辨率解調(diào)方案，在2 km的傳感距離下將傳統(tǒng)米量級的空間分辨率提高至5 cm，此空間分辨率理論上與系統(tǒng)的采樣率成正比與脈沖寬度無關(guān)，且可以根據(jù)應(yīng)用需求通過改變前向差分的點數(shù)進(jìn)行調(diào)整。通過提高系統(tǒng)采樣率或引入濾波降噪算法可進(jìn)一步提高系統(tǒng)的空間分辨率。

該方案是一種簡單易操作且有效的高空間分辨率方案，適用于所有基于OTDR原理的傳感系統(tǒng)，在橋梁隧道、油氣管線、智能電網(wǎng)等大型基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域等諸多場景中具有應(yīng)用潛力和實用價值。





審核編輯：劉清