【導(dǎo)讀】為了修復(fù)老化的基礎(chǔ)設(shè)施，監(jiān)測現(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)測建筑承受的應(yīng)力和溫度變化。然而，這種常見的光纖傳感器——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。
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間內(nèi)能夠在10公里的范圍內(nèi)，厘米級的空間分辨率下檢測出百萬分之一的溫度或應(yīng)力變化的方法。該團(tuán)隊認(rèn)為，該方案的分辨率之高使其能夠在長距離的基礎(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。
信號失真
SBS光纖傳感器通過發(fā)送脈沖激光信號，即抽運脈沖，通過一定長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。(實際上，為了防止某些系統(tǒng)誤差，這些系統(tǒng)通常使用兩個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，即所謂的雙邊帶方法。)抽運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，這種散射將會改變脈沖光信號的頻率分布。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，可以通過對布里淵頻移的分析來檢測沿著光纖長度的那些參數(shù)的變化。
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題。其中一個問題就是監(jiān)測范圍有限。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)可能會使抽運脈沖信號失真，嚴(yán)重影響對布里淵頻移的精確探測。
另一個問題是有限的空間分辨率。因為SBS依賴于非線性的光與物質(zhì)相互作用以產(chǎn)生聲波，因此在時域技術(shù)中存在空間分辨率上微小但十分明顯的時滯。在頻率和相關(guān)域中的其他技術(shù)能夠彌補(bǔ)SBS的缺點，但需要的時間更久——測量沿光纖分布的一百萬個點大約需要一個小時或更長的時間。
關(guān)于掃描的問題
西班牙與瑞士的聯(lián)合研究團(tuán)隊，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)找到了解決這些問題的方法。他們通過深入研究信號掃描的實際細(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)時域下基于SBS的光纖傳感方案中，頻移是通過對稱地掃描兩個邊帶探測光束相對于固定抽運脈頻率的偏移來確定的。然而，事實證明，這種掃描方法是高探頭功率下脈沖失真的主要來源。這是因為兩個探頭邊帶和抽運脈沖之間難以量化的不對稱能量傳遞——隨著探頭功率的增加而增加的效應(yīng)。
聯(lián)合研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，通過改變掃描方法，使得邊帶探測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)頻率對輸入抽運波束掃描——這能夠顯著降低信號失真。這種方法意味著探測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。此外，通過消除抽運脈沖中的信號失真，該系統(tǒng)也具有了更高的空間分辨率。
分辨率可達(dá)一厘米
研究人員用差分脈沖寬度對，布里淵光學(xué)時域分析(DPP-BOTDA)實驗測試了10千米長的單模光纖。他們發(fā)現(xiàn)，該方法能夠探測沿光纖分布的一百萬個點的布里淵頻移，分辨率可達(dá)一厘米，并且能夠在光纖的遠(yuǎn)端檢測到3厘米的“熱點”。而且，由于系統(tǒng)保持在時域，該方法能夠在20分鐘內(nèi)實現(xiàn)這些功能，遠(yuǎn)少于在使用頻率相關(guān)域方法時所花費的時間。
該研究團(tuán)隊認(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。阿爾卡拉大學(xué)的Alejandro Dominguez-Lopez聲稱：“由于我們擁有如此大的監(jiān)測點密度，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。”研究人員們還認(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，例如檢測乳腺癌中存在的溫度偏差。
