研究背景

光纤中散射光信号主要包括瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射三种类型。瑞利散射是一种准弹性散射，由于介质非传输的密度起伏引起，因此散射光和入射光频率一致。布里渊散射是由于入射光波周期性调制介质折射率导致的，其散射过程可以看作光波与声波的相互作用，散射光频率相比于入射光存在一个多普勒频移。拉曼散射是由于介质分子振动或转动产生的光散射，可以理解为光波与光学声子的相互作用。

1976年，首个分布式光纤传感系统问世，称为光时域反射计（optical time domain reflectometry，OTDR），用于研究光纤衰减特性，并得到广泛的应用。20世纪80年代，相应的布里渊和拉曼分布式传感器被相继报道，布里渊传感器可以用来测量温度和应变的变化，而拉曼传感器只对温度敏感。近四十年，仪器和设计方案上的快速发展，极大提升了分布式光纤传感器性能参数，使其具备更高的空间分辨率、更远的传感距离、更好的测量精度和更快的测量速度。在快速测量领域，相位敏感型OTDR系统（φ-OTDR）和布里渊光时域反射系统（BOTDA）因兼具高性能和装置简单的优势，成为分布式光纤传感器的典型代表。φ-OTDR系统具备高灵敏度和快速测量的优势，已广泛应用于入侵监测和地球物理探测等领域。基于频率扫描方案的φ-OTDR系统，将散射信号的相位变化表现为强度变化，通过参考谱和测量谱的互相关运算即可解调出相对应变量。该系统能够实现高灵敏度的相对测量，但只有在初始状态下不断累积相对变化量才能实现真实测量解调，这会引入较大的累积误差从而影响测量精度。相对而言，BOTDA系统可以实现单次的真实应变解调，但是其测量精度较低无法实现纳应变测量。因此，φ-OTDR和BOTDA系统都能实现动态应变测量，但是二者的适用范围不同，能够互为补充，整合两种传感器的信息将开拓新的应用领域。

研究亮点

近日，哈尔滨工业大学航天学院董永康教授团队提出了一种新型快速分布式光纤传感器，利用同一组扫频脉冲信号同时实现φ-OTDR和BOTDA信号解调。该方案中通过两步调制方案获得扫频脉冲信号，首先利用光学捷变频技术实现光信号的频率调制，再利用脉冲信号在每一频率周期内进行信号截取，最终获得扫频脉冲信号从待测光纤一端入射与BOTDA系统的探测光信号相互作用。在扫频脉冲的入射端，同时收集脉冲信号的瑞利散射信号和BOTDA系统的探测光信号，根据二者的频率差异，利用光纤布拉格光栅实现信号分离，分别探测实现高灵敏度真实应变测量。

实验中，利用电动位移平台加载500 nε的周期振动信号，同时改变初始应变，以验证所提出传感器的性能，最终实现不同绝对应变下的亚微应变振动信号测量。布里渊信号解调结果如图1（a）所示，得到两组振动信号加载的初始应变值，但是受限于BOTDA系统的应变分辨率，无法解调出亚微应变的振动信号。φ-OTDR信号能够解调出9.9 Hz周期振动信号，振动信号峰峰值为500 nε，如图1（b）和1（c）所示。将布里渊信息和瑞利信息相结合，得到第一组振动信号应变变化范围在296.45和296.95 με之间，第二组振动信号应变变化范围在554.55和555.05 με之间。因此，所提出的快速分布式光纤传感器同时利用瑞利和布里渊信息，能够提供高灵敏度的绝对应变解调。在提出的方案中，瑞利和布里渊信息通过同一组扫频脉冲测量得到，并没有增加系统的复杂性。综上所述，提出的传感系统能够对测量过程提供更多的信息，实现高灵敏度的真实应变测量，开拓了快速分布式传感技术的应用领域。

图1 结合瑞利和布里渊应变信息的振动信号解调结果（a）BOTDA系统测得的两组动态应变结果，（b）和（c）φ-OTDR系统测得的两组动态应变结果

该研究以“High-sensitivity distributed dynamic strain sensing by combining Rayleigh and Brillouin scattering”为题，发表在英文刊Opto-Electronic Advances 2020年第12期。

研究团队简介

董永康教授团队隶属于哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室，团队的研究方向包括光纤传感、微波光子学、非线性光学、气体传感、激光雷达和结构健康监测。团队现有教师、博士后、工程师及研究生等40余人，先后承担国家重大科学仪器设备开发专项“分布式光纤应变监测仪”、国家自然科学基金、国防科技创新特区等项目10余项。近年来，团队在Light: Science and Applications、Optica、Photonics Research、Opitcs Letters、Optics Express等国际权威期刊发表论文90余篇，SCI他引1000余次，获国际发明专利1项，国家发明专利20余项，在国际会议上做特邀报告30余次，著有专著4章，获得黑龙江省自然科学一等奖，陕西省科技进步一等奖和首届“中国光学工程学会科技创新奖”。

团队研发的“高性能分布式布里渊光纤温度和应变分析仪”综合指标居于国际领先水平，获得2020年度激光行业“光环奖”。分布式光纤传感可以实现超长距离上的空间连续测量，监测测点可达百万个，在大容量传感方面具有传统点式传感器不可比拟的优势；其测量参数包括应变和温度等，可用于油气管道、高压输电线、高速铁路和大型桥梁等大型基础设施的健康监测，以及山体滑坡和路面沉降等地质灾害的监测预警等领域。