Advanced Photonics Nexus 2023年第3期文章：

Yahui Wang, Xinxin Hu, Lintao Niu, Hui Liu, Jianzhong Zhang, Mingjiang Zhang. Long-range chaotic Brillouin optical correlation domain analysis with more than one million resolving points[J]. Advanced Photonics Nexus, 2023, 2(3): 036011

背景介绍

       光纤传感技术已成为当今世界令人瞩目、发展迅猛的高新技术之一，它与通信技术、计算机技术构成了信息产业的三大支柱，是当代科学技术发展的一个重要标志。分布式光纤传感技术因可实现对光纤沿线任意位置多种物理量的实时监测，成为了国内外研究和发展的重点，是国际竞争战略的重要标志性产业技术。我国“十四五”时期，新一代信息技术、深海空天开发、智慧交通强国、智慧城市建设等前沿科技和产业变革领域将得到进一步发展壮大。分布式光纤传感技术作为核心传感科技之一，具有无可替代的战略价值和巨大的科学研究价值。

       基于布里渊散射的分布式光纤传感器因布里渊频移与温度和应变具有线性关系而备受青睐。其中，有效传感点数（传感距离与空间分辨率的比值）是衡量传感器性能的关键因素。但由于存在高空间分辨率尺度中的微弱增益、长距离光纤沿线噪声累积、增益信号的非局域响应等因素，传统方案存有传感距离和有效传感点数难以兼顾的瓶颈。

       近期，太原理工大学张明江教授团队提出了一种长距离混沌布里渊光相关域分析 (Brillouin Optical Correlation Domain Analysis, BOCDA) 技术。研究人员采用低相干混沌激光，结合最优化时域门控装置和差分去噪方案，在27.54 km的传感距离实现了2.69 cm的空间分辨率，有效传感点数超过1,020,000。相关研究工作以“Long-range chaotic Brillouin optical correlation domain analysis with more than one million resolving points”为题，发表于Advanced Photonics Nexus 2023年第3期。

工作原理

图1 混沌布里渊增益谱结构示意图。(a) 传统混沌BOCDA系统；(b) 本方案中脉冲消光比 (ER) 的定义；(c) 时域门控型混沌BOCDA系统；(d) 混沌（自相关）峰值背景噪声比 (PBR) 的定义；(e) 光纤沿线噪声基底的测量；(f) 差分去噪后的纯净布里渊增益谱

       图1 (a) 为传统混沌BOCDA系统布里渊增益谱结构示意图。相向传输的泵浦光和探测光在光纤中心位置因具有极度相关性而产生唯一相关峰，峰内激发布里渊增益。但混沌激光的弱周期性致使其在时延位置处存在布里渊鬼峰增益，与光纤沿线的峰外非零振荡基底共同构成了布里渊增益噪声。因此，基于高PBR值混沌激光，研究人员提出了时域门控装置，如图1 (c)所示，该装置将泵浦光调制成高消光比脉冲光，从而仅在脉冲高电平持续时间内和探测光发生受激布里渊作用，抑制混沌时延产生的鬼峰，减弱光纤沿线累积噪声。为进一步获得更纯净的布里渊增益，研究人员提出了差分去噪方案。如图1 (e) 所示，该方案将中心峰移至光纤外，获得光纤沿线的累积噪声，通过测量布里渊增益谱与光纤沿线噪声基底的差分分析，可获得仅有一个尖锐主峰的纯净布里渊增益谱（如图1 (f) 所示）。

理论分析

       研究人员首先仿真分析了最优化时域门控和差分去噪方案对布里渊增益谱的提升。相较于常规时域门控装置，高消光比脉冲调制（高约17.53 dB）测得的布里渊增益谱次峰被大幅抑制，信号与背景噪声之比（SBR）提高了3.40 dB，如图2（b）所示。然而，如图2 (c) 所示，随着光纤长度增加，背景噪声仍将逐渐累积直至强度高于布里渊增益信号，100 km光纤末端的SBR低至-2.16 dB。进一步地，如图2(d)所示，差分去噪方案可准确测得光纤沿线噪声基底，优化的混沌布里渊增益谱呈现出几乎完美的洛伦兹形状。因此，可利用高消光比的时域门控装置和差分去噪方案同步实现布里渊增益谱的优化，有效扩展传感距离。 

图2 混沌布里渊增益谱的优化。(a) 不同脉冲调制方案的时序；(b) 有无时域门控测得的布里渊增益谱；(c) 长距离系统中不同位置处的布里渊增益谱；(d) 差分去噪原理

实验测量

       研究人员搭建了长距离混沌BOCDA的实验装置，测量并比较了不同消光比情况下光纤不同位置处的布里渊增益谱，结果如图3所示。高脉冲消光比方案中，布里渊增益谱的噪声显著降低，光纤末端的增益信号仍大于背景噪声，SBR值提升了1.43 dB；差分去噪方案进一步了减弱噪声基底的影响，末端SBR值再次提升了1.50 dB。此外，研究人员还引入了洛伦兹拟合优化混沌布里渊增益谱，以此消除差分去噪后仍存有的随机波动噪声基底。

图3 在待测光纤的2个不同位置：(a) 13.80km，(b) 27.53km，采用不同方案测得的布里渊增益谱；(c)信号背景噪声比 (SBR) 随光

纤长度的变化

       最后，研究人员进行了系统空间分辨率验证实验。如图4所示，光纤末端的布里渊频移被准确测量，其中约10.9 cm的应变拉伸区被精准识别。应变区上升沿与下降沿10%~90%对应的光纤长度分别为2.73 cm、2.65 cm，系统空间分辨率约为2.69 cm，有效传感点数大于102万。

图4 光纤末端的布里渊频移分布图及频移区放大图

总结展望

       该方案采用高PBR混沌激光为信号源，基于高消光比时域门控装置和差分去噪方案，提升系统测量信噪比，最后对混沌布里渊增益谱辅以洛伦兹拟合。实验在27.54 km的传感距离实现了2.69 cm的空间分辨率，有效传感点数超百万。该项工作在长传感距离和大有效传感点数耦合测量方面具有重要价值，为长距离、大范围结构健康监测的高性能分布式光纤传感提供了一种新方法。

       在该方案的基础上，采用相位型混沌激光、脉冲编码等低噪声方案将会进一步提升混沌BOCDA信噪比，将该方案与计算机网络技术、信息通信技术等知识密集型技术相结合也会取得新的成效，例如将自适应或深度学习算法应用到系统中，自动创建与应用环境一致的模型，这样可以使系统更加智能，提高系统的实用性和适应性。综上所述，在下一代信息传感技术中，我们期望该工作及其相关研究能够发挥更重要的作用。

主要作者简介

       王亚辉，太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室，助理研究员，硕士生导师。博士毕业于太原理工大学光学工程专业，目前主要研究方向为混沌激光的产生及布里渊传感应用。主持国家自然科学基金、山西省应用基础研究计划、企业委托科技项目等项目4项，发表论文20余篇，曾获2021年度山西省优秀博士学位论文等奖励。

       张明江，太原理工大学研究生院副院长、物理学院副院长，教授，博导。博士毕业于天津大学光学工程专业，加拿大渥太华大学访问学者，主要从事光子集成混沌激光器及分布式光纤传感研究。获全国百篇优博论文提名奖，入选首批青年三晋学者、山西省学术技术带头人、山西省高校中青年拔尖创新人才。兼任中国光学学会光学教育专业委员会常务委员、山西省光学学会副理事长、《激光与光电子学进展》期刊编委等职。先后主持国家重大科研仪器研制项目、国家自然科学基金面上项目等国家、省部级项目和企业委托项目20多项。发表学术论文120多篇，以第一发明人授权中国发明专利40余项、美国专利2项，软件著作权12项。第一完成人获山西省技术发明一等奖1项、山西省自然科学二等奖1项、中国专利优秀奖1项。

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