【導(dǎo)讀】為了修復(fù)老化的基礎(chǔ)設(shè)施，監(jiān)測(cè)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(cè)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(shí)間內(nèi)能夠在10公里的范圍內(nèi)，厘米級(jí)的空間分辨率下檢測(cè)出百萬分之一的溫度或應(yīng)力變化的方法。該團(tuán)隊(duì)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(hào)失真
SBS光纖傳感器通過發(fā)送脈沖激光信號(hào)，即抽運(yùn)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(shí)際上，為了防止某些系統(tǒng)誤差，這些系統(tǒng)通常使用兩個(gè)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(yùn)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(huì)改變脈沖光信號(hào)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(duì)布里淵頻移的分析來檢測(cè)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(gè)問題就是監(jiān)測(cè)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(huì)使抽運(yùn)脈沖信號(hào)失真，嚴(yán)重影響對(duì)布里淵頻移的精確探測(cè)。
另一個(gè)問題是有限的空間分辨率。因?yàn)镾BS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(shí)域技術(shù)中存在空間分辨率上微小但十分明顯的時(shí)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(diǎn)，但需要的時(shí)間更久——測(cè)量沿光纖分布的一百萬個(gè)點(diǎn)大約需要一個(gè)小時(shí)或更長的時(shí)間。
關(guān)于掃描的問題
西班牙與瑞士的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，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(hào)掃描的實(shí)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(shí)域下基于SBS的光纖傳感方案中，頻移是通過對(duì)稱地掃描兩個(gè)邊帶探測(cè)光束相對(duì)于固定抽運(yùn)脈頻率的偏移來確定的。然而，事實(shí)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?yàn)閮蓚€(gè)探頭邊帶和抽運(yùn)脈沖之間難以量化的不對(duì)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(duì)發(fā)現(xiàn)，通過改變掃描方法，使得邊帶探測(cè)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(duì)輸入抽運(yùn)波束掃描——這能夠顯著降低信號(hào)失真。這種方法意味著探測(cè)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(yùn)脈沖中的信號(hào)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(duì)，布里淵光學(xué)時(shí)域分析(DPP-BOTDA)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了10千米長的單模光纖。他們發(fā)現(xiàn)，該方法能夠探測(cè)沿光纖分布的一百萬個(gè)點(diǎn)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(cè)到3厘米的“熱點(diǎn)”。而且，由于系統(tǒng)保持在時(shí)域，該方法能夠在20分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)這些功能，遠(yuǎn)少于在使用頻率相關(guān)域方法時(shí)所花費(fèi)的時(shí)間。
該研究團(tuán)隊(duì)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(cè)點(diǎn)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(cè)乳腺癌中存在的溫度偏差。
