基于單通道光頻域反射儀的多光纖并行傳感

01 導讀

光頻域反射技術(shù)（OFDR）以其高信噪比、高靈敏度和高空間分辨率的優(yōu)點被廣泛應用于多種物理量的分布式測量中，例如應變、溫度和振動等。在實際應用中通常需要同時監(jiān)測多根光纖/纖芯來完成傳感任務，例如形狀傳感、多參數(shù)監(jiān)測等，而通常在這些應用中需要為每一根光纖/纖芯分配一條專用的通道，因此實現(xiàn)多傳感光纖的復用能夠簡化傳感系統(tǒng)的復雜度和成本。

近期，大連理工大學彭偉、周大鵬教授團隊與加拿大渥太華大學鮑曉毅教授團隊合作提出了一種基于單通道光頻域反射儀的多光纖并行傳感方案，利用每根光纖固有的瑞利背向散射特性作為識別傳感信息的關(guān)鍵特征，結(jié)合光耦合器實現(xiàn)對多根傳感光纖的同時測量。實驗結(jié)果表明，利用單通道光頻域反射儀可以完成對4根單模光纖（可擴展到6根）的同時解調(diào)，并且空間分辨率保持在mm量級。相關(guān)工作以“Multiple optical fiber sensing with a single data channel of optical frequency-domain reflectometry”為題發(fā)表在Optics Letters上。大連理工大學碩士研究生呂拓為論文第一作者，周大鵬教授為論文通訊作者。

02 研究背景

OFDR以其高測量精度、高靈敏度和高空間分辨率等優(yōu)勢，被廣泛應用于航空航天、土木工程、生物醫(yī)療等領域。在很多應用場景中通常需要同時實現(xiàn)對多根光纖/纖芯的監(jiān)測來完成特殊的傳感任務，例如形狀感知應用需要通過同時解調(diào)附著在同一物體上的多根傳感光纖或者多芯光纖的各條纖芯的應變差異來實現(xiàn)。在這樣的應用背景下，實現(xiàn)多根傳感光纖的復用，即實現(xiàn)對多根光纖的單通道檢測，不僅能保證測量的同時性和準確性，也能降低測量系統(tǒng)的復雜度和硬件成本。

現(xiàn)有基于OFDR的多光纖復用技術(shù)主要有三類：第一類是結(jié)合時分復用（TDM）使用光開關(guān)對網(wǎng)絡中各光纖進行非同時逐一檢測，然而其非同時性檢測特點無法滿足有高度同時性要求的傳感任務；第二類利用帶寬分復用（BDM）在激光波長掃描過程中將覆蓋不同波長范圍的光分別入射到不同的傳感光纖中實現(xiàn)多通道傳感，但更窄的波長掃描范圍會成倍地降低傳感的空間分辨率和測量范圍；第三類結(jié)合空分復用（SDM）將瑞利散射增強的特殊光纖分布于傳感網(wǎng)絡的不同位置處，在空間距離上完成對不同傳感光纖的區(qū)分。但是此方法不僅需要使用特種光纖作為傳感元件，還會大幅降低傳感系統(tǒng)的測量長度。

本團隊提出一種基于單通道OFDR的多光纖并行傳感方案，利用每根光纖所特有的瑞利散射特征作為傳感“密鑰”，能夠同時實現(xiàn)對多個單模光纖（SMF）的全分布式應變傳感。此方案是受Froggatt等人早期解調(diào)兩根并行光纖工作的啟發(fā)，他們采用相位解調(diào)方法，通過大量平均分離出不同光纖的相位分布，但是能夠解調(diào)的光纖數(shù)量有限，并且缺乏空間分辨率及測量精度信息。我們的方法采用互相關(guān)算法區(qū)分不同光纖的應變分布，能夠?qū)崿F(xiàn)最多6根光纖的同時解調(diào)，并且保持mm量級的空間分辨率和較高的測量精度。

03 創(chuàng)新研究

3.1 基于單通道OFDR的并行光纖傳感系統(tǒng)

實驗中將傳統(tǒng)的OFDR系統(tǒng)經(jīng)過光耦合器與多根傳感光纖相連，構(gòu)成基于單通道OFDR的并行光纖傳感系統(tǒng)，傳統(tǒng)OFDR系統(tǒng)裝置示意圖如圖1（a）所示，同時實驗中采用了雙光纖和四光纖兩種并行傳感網(wǎng)絡，其結(jié)構(gòu)分別如圖1（b）和圖1（c）所示。

圖1 （a） OFDR系統(tǒng)示意圖， （b） 雙光纖并行網(wǎng)絡， （c） 四光纖并行網(wǎng)絡

圖源： Optics Letters （2022） https://doi.org/10.1364/OL.464770 （Fig. 1）

3.2 基于單通道OFDR的多并行光纖傳感

基于互相關(guān)算法的OFDR系統(tǒng)通過分布式測量光纖中瑞利背向散射的局部光譜偏移完成對光纖沿線的外界環(huán)境參量的連續(xù)監(jiān)測。OFDR單光纖傳感系統(tǒng)將頻率線性調(diào)諧的激光入射到傳感光纖中，測得整個傳感光纖背向瑞利散射的頻域信號。將頻域信號進行傅里葉變換（FFT）即可以得到沿整根光纖的距離域信號，此時選取一部分空間長度的數(shù)據(jù)將其進行反傅里葉變換（IFFT）轉(zhuǎn)換回頻域，即可得到在此空間距離處光纖的局部光譜。因為外界環(huán)境參量（應力或溫度）的變化會導致光纖局部光譜的頻移，因此在基于互相關(guān)的OFDR解調(diào)算法中，通過分布式解調(diào)局部光譜的偏移量即可完成對外界環(huán)境參量變化的定位及標定。

在我們所構(gòu)建的多光纖并行傳感結(jié)構(gòu)中，我們通過單次測量獲得的傳感信號同時包含了所有傳感光纖的瑞利背向散射信號，將其進行FFT和IFFT后得到的局部光譜為所有傳感光纖在同一長度位置處的重疊頻譜。由于每根光纖的瑞利散射信號是隨機且唯一的，不同光纖的局部頻譜之間不存在相關(guān)性，因此我們能夠利用每根光纖預先單獨測量的參考散射信號分別與從網(wǎng)絡中獲取的整體散射信號進行分布式互相關(guān)計算進行解調(diào)。此時，不同光纖的參考信號與整體信號的相關(guān)性將不受其他光纖干擾被分別展示出來，即相當于利用每根光纖特有的瑞利散射特征作為“密鑰”將每一根光纖的傳感信息從復合信號中分別提取出來，從而完成對并行光纖網(wǎng)絡中不同光纖的區(qū)分及傳感。

3.3 實驗結(jié)果與討論

3.3.1 雙光纖并行傳感的應變分布測量

實驗首先驗證了如圖1（b）所示的雙光纖并行網(wǎng)絡的應變傳感，實驗采用6m和8.7m長的SMF作為傳感光纖，并在兩根光纖相同位置處分別施加一定的應力。圖 2（a）展示了并行光纖網(wǎng)絡隨距離分布的整體瑞利散射信號，同時圖2（b）和2（c）分別展示了其中一根光纖的參考信號與整體信號在單光纖位置以及雙光纖并行位置的互相關(guān)結(jié)果，可見由于在多光纖并行位置處存在來自于其他光纖不相關(guān)的散射信號，雙光纖位置處互相關(guān)的信噪比（SNR）有所降低，但其互相關(guān)峰值仍清晰可見，能夠準確反應出光譜的頻移量。

圖2 （a） 隨空間距離分布的瑞利散射信號， （b） 單光纖位置處及 （c） 雙光纖位置處在5mm空間分辨率下的互相關(guān)計算結(jié)果 圖源： Optics Letters （2022） https://doi.org/10.1364/OL.464770 （Fig. 2）

相應的，在5mm空間分辨率下解調(diào)出的應變分布如圖3（a）所示。圖3（b）展示了不同空間分辨率下單光纖與雙光纖位置處的應變標準偏差，可見應變測量精度隨空間分辨率的降低而提高，并且雙光纖并行的測量精度明顯低于單光纖。但是隨著空間分辨率的降低其差別越來越小，這也意味著通過在一定程度上降低空間分辨率我們?nèi)阅軠蚀_地獲取傳感信息，并且分辨率仍能夠保持在mm量級。

圖3 （a） 雙光纖并行傳感的應變分布， （b） 單光纖和雙光纖的應變標準差（Std）與空間分辨率的關(guān)系

圖源： Optics Letters （2022） https://doi.org/10.1364/OL.464770 （Fig. 3）

3.3.2 多光纖并行傳感的應變分布測量

接下來我們進一步增加并行傳感光纖的數(shù)量。實驗結(jié)果表明采用現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，即使SNR進一步降低，但本方案仍然能夠很好地完成三根光纖的并行傳感，但無法在實現(xiàn)四根光纖并行傳感的同時保持mm量級的空間分辨率。因此我們結(jié)合SDM技術(shù)設計了四光纖并行傳感結(jié)構(gòu)如圖1（c）所示。實驗中四根傳感光纖長度都約為6m，相應的瑞利散射信號展示在圖4（a）中，同時圖4（b）、4（c）和4（d）分別展示了5mm空間分辨率下在單光纖、三光纖以及雙光纖并行位置的互相關(guān)結(jié)果。結(jié)果可見三光纖并行傳感位置處互相關(guān)SNR進一步降低，但其峰值仍清晰可見。

圖4 （a） 隨空間距離分布的瑞利散射信號， （b） 單光纖位置處， （c） 三光纖位置處及 （d） 雙光纖位置處在5mm空間分辨率下的互相關(guān)計算結(jié)果

圖源： Optics Letters （2022） https://doi.org/10.1364/OL.464770 （Fig. 4）

同樣的我們分別在四根光纖大約相同的位置處施加應力，如圖5（a）所示每根光纖對應的應變分布情況在6mm空間分辨率下被清晰地解調(diào)出來。圖5（b）展示了不同空間分辨率下應變測量的標準偏差，可見三光纖并行時的測量精度進一步降低，但在6-10mm的范圍內(nèi)與單光纖精度非常接近，這也說明我們?nèi)阅茉趍m量級上準確獲得三根光纖并行時的傳感信息，并且能夠采用如圖1（c）的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)四根（最多六根）光纖的同時測量，但是此時犧牲了一半的測量距離。

圖5 （a） 四光纖并行傳感的應變分布， （b） 單光纖、雙光纖和三光纖的應變標準差（Std）與空間分辨率的關(guān)系

圖源： Optics Letters （2022） https://doi.org/10.1364/OL.464770 （Fig. 5）

04 應用與展望

本文提出了一種基于單通道OFDR系統(tǒng)的多光纖并行傳感方案，利用每根光纖特有的瑞利背向散射特性作為識別傳感信息的關(guān)鍵特征，使用單個通道單次測量即可完成對由多根光纖組成的并行光纖網(wǎng)絡的分布式傳感。本方案利用現(xiàn)有的OFDR系統(tǒng)，無需任何額外的硬件修改即可實現(xiàn)多光纖并行傳感，為現(xiàn)有的傳感應用提供了簡單且經(jīng)濟高效的解決方案。

審核編輯 ：李倩