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基于微波光子学的准分布式光纤传感解调技术

吴妮珊 夏历

吴妮珊, 夏历. 基于微波光子学的准分布式光纤传感解调技术[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2020-0121
引用本文: 吴妮珊, 夏历. 基于微波光子学的准分布式光纤传感解调技术[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2020-0121
WU Ni-shan, XIA Li. Review of interrogation technology for quasi-distributed optical fiber sensing systems based on microwave photonics[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2020-0121
Citation: WU Ni-shan, XIA Li. Review of interrogation technology for quasi-distributed optical fiber sensing systems based on microwave photonics[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2020-0121

基于微波光子学的准分布式光纤传感解调技术

doi: 10.37188/CO.2020-0121
基金项目: 国家自然科学基金(No. 61675078)
详细信息
    作者简介:

    吴妮珊(1995—),女,湖北武汉人,2017年于华中科技大学获得学士学位,现为华中科技大学光学与电子信息学院博士研究生,主要从事光纤传感网络解调方面的研究。E-mail:nswu@hust.edu.cn

    夏 历(1976—),男,湖北武汉人,博士,教授,博士生导师。2004年获清华大学博士学位,后于新加坡南洋理工大学电机与电子工程学院开展博士后及研究员工作。2009年加入华中科技大学光学与电子信息学院,主要从事化学及生物光纤传感器设计、光纤传感微结构应用、光纤传感网络等方面的研究。E-mail:xiali@hust.edu.cn

    通讯作者: E-mail:xiali@hust.edu.cn
  • 中图分类号: O438

Review of interrogation technology for quasi-distributed optical fiber sensing systems based on microwave photonics

Funds: Supported by National Natural Science Foundation of China (No. 61675078)
  • 摘要: 准分布式光纤传感系统在土木工程、能源勘测、航空航天、国防、化工等领域一直发挥着不可替代的重要作用。以微波光子学为基础的准分布式光纤传感解调技术被广泛应用于光纤复用系统的快速、高精度的信号解调与传感器定位。与传统的光学波长解调方案相比,该技术大幅提高了系统的解调速率,弥补了传统解调方法在传感器定位方面的缺陷。本文主要介绍了近年来国内外在基于微波光子学的准分布式光纤传感解调领域的研究进展,从光纤光栅准分布式传感系统和光纤法布里-珀罗准分布式传感系统两方面入手,对比分析了现有的数种微波解调光纤准分布式系统的优缺点,并对基于微波光子学的准分布式光纤传感解调技术的未来研究发展方向进行了总结与展望。
  • 图  1  基于MPF的光纤光栅准分布式传感解调系统示意图

    Figure  1.  Diagram of the FBG quasi-distributed sensing and interrogation system based on MPF

    图  2  基于矢量网络分析仪的MPF光纤光栅准分布式传感解调系统示意图

    Figure  2.  Diagram of the MPF FBG quasi-distributed sensing and interrogation system based on VNA

    图  3  基于MPF的弱反光纤光栅准分布式传感解调系统[21]

    Figure  3.  Microwave interrogation for the weak FBG quasi-distributed sensing system based on MPF

    图  4  基于多抽头MPF的超短光栅差分解调系统及其基本原理示意图[24]

    Figure  4.  Basic structure and principle of the differential demodulation of ultra-short FBGs based on multi-tap MPF

    图  5  基于双Sagnac环和差分滤波的WDM准分布式传感微波解调系统。(a)系统结构示意图;(b)双Sagnac环光谱图;(c)由频域响应逆傅里叶变换得到的时域响应谱[27]

    Figure  5.  Microwave interrogation system for the WDM quasi-distributed sensing system based on double Sagnac loops and differential demodulation. (a) Experimental setup; (b) Spectra of the double Sagnac loops; (c) Time-domain response obtained from the IFFT of the frequency response.

    图  6  基于DCF的微波光子外差准分布式光栅解调系统[32]

    Figure  6.  Microwave photonics heterodyne interrogation for the FBG quasi-distributed system based on DCF

    图  7  基于混沌源IOFDR的超弱光纤光栅准分布式传感解调系统示意图[35]

    Figure  7.  System diagram of the ultra-weak FBG quasi-distributed sensing system based on the IOFDR chaos source

    图  8  OEO系统基本结构示意图

    Figure  8.  Basic structure diagram of OEO system.

    图  9  基于OCMI技术的光纤FP准分布式传感解调系统[38]

    Figure  9.  Fiber FP quasi-distributed sensing system based on OCMI technology.

    图  10  基于CMPI技术的光纤FP准分布式传感解调系统示意图[44]

    Figure  10.  Experimental setup of the fiber FP quasi-distributed sensing system based on CMPI technology.

    表  1  针对光栅准分布式系统的不同微波解调方案比较

    Table  1.   Comparison of different microwave demodulation schemes for the FBG quasi-distributed system

    解调方案复用容量/个空间分辨率/m解调速率其他特点
    微波光子滤波器结构[23]500 (实验)0.2受限于VNA扫描速率能够对间距小于相干长度的密集型系统进行解调
    微波光子滤波器结构+宽谱差分滤波[27]19400 (理论)0.1受限于VNA扫描速率能够适用于WDM系统的解调;解调结果不受功率波动影响
    微波光子外差法+DCF-SMF双通道解调[33]105 (实验)180 kHz具有动态解调能力;波长解调精度6.96 pm
    混沌源非相干光频域反射[34]3640 (实验)0.1受限于光源波长扫描速率相干噪声低;能够解调大规模复用系统
    光电振荡器结构[39]62 (理论)10.61 s信噪比>35 dB;频率不稳定度<28 kHz
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出版历程

基于微波光子学的准分布式光纤传感解调技术

doi: 10.37188/CO.2020-0121
    基金项目:  国家自然科学基金(No. 61675078)
    作者简介:

    吴妮珊(1995—),女,湖北武汉人,2017年于华中科技大学获得学士学位,现为华中科技大学光学与电子信息学院博士研究生,主要从事光纤传感网络解调方面的研究。E-mail:nswu@hust.edu.cn

    夏 历(1976—),男,湖北武汉人,博士,教授,博士生导师。2004年获清华大学博士学位,后于新加坡南洋理工大学电机与电子工程学院开展博士后及研究员工作。2009年加入华中科技大学光学与电子信息学院,主要从事化学及生物光纤传感器设计、光纤传感微结构应用、光纤传感网络等方面的研究。E-mail:xiali@hust.edu.cn

    通讯作者: E-mail:xiali@hust.edu.cn
  • 中图分类号: O438

摘要: 准分布式光纤传感系统在土木工程、能源勘测、航空航天、国防、化工等领域一直发挥着不可替代的重要作用。以微波光子学为基础的准分布式光纤传感解调技术被广泛应用于光纤复用系统的快速、高精度的信号解调与传感器定位。与传统的光学波长解调方案相比,该技术大幅提高了系统的解调速率,弥补了传统解调方法在传感器定位方面的缺陷。本文主要介绍了近年来国内外在基于微波光子学的准分布式光纤传感解调领域的研究进展,从光纤光栅准分布式传感系统和光纤法布里-珀罗准分布式传感系统两方面入手,对比分析了现有的数种微波解调光纤准分布式系统的优缺点,并对基于微波光子学的准分布式光纤传感解调技术的未来研究发展方向进行了总结与展望。

English Abstract

吴妮珊, 夏历. 基于微波光子学的准分布式光纤传感解调技术[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2020-0121
引用本文: 吴妮珊, 夏历. 基于微波光子学的准分布式光纤传感解调技术[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2020-0121
WU Ni-shan, XIA Li. Review of interrogation technology for quasi-distributed optical fiber sensing systems based on microwave photonics[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2020-0121
Citation: WU Ni-shan, XIA Li. Review of interrogation technology for quasi-distributed optical fiber sensing systems based on microwave photonics[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2020-0121
    • 随着高速信息时代的到来,物联网技术已经逐渐成为人类获取外界信息、预测环境变化、提高生产生活质量的重要科技基础。其中,作为探测环节中不可或缺的关键组成部分,光纤传感器因其具有的体积小、质量轻、精度高、耐腐蚀、抗电磁干扰、成本低廉、能够与现有光纤通信系统良好兼容等优势[1-2],已经在土木、生物、化工、机械、电气、航天等领域得到了广泛应用。

      通过对分立的光纤传感器单元进行组网、排列和复用,可以在长距离范围内对温度、应变、振动等物理量进行感知和测量。有别于基于光纤瑞利、拉曼或布里渊散射效应的全分布式传感系统,这种准分布式光纤传感系统不需要激发光纤内的非线性效应,且易于建立传感光信号与待测参量之间的定量关系;可以按照实际需求灵活设计覆盖距离、测量精度等系统性能参数,有助于控制和降低系统搭建成本;能够对折射率、曲率等更为丰富多样的外界变化进行探测,并具备测量动态事件的能力。因此,目前准分布式光纤传感系统已经在油井勘探、火灾预警、大型建筑物结构健康监测等方面发挥了重要作用[3-6]

      按照复用的光纤传感器类型,可以将准分布式光纤传感系统大致分为光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating, FBG)准分布式传感系统和光纤法布里-珀罗(Fabry-Pérot, FP)准分布式传感系统两大类。光纤光栅准分布式传感系统以波长调制传感器光纤布拉格光栅为传感单元,通过相位掩模、紫外照射等方法使光纤纤芯产生折射率周期性变化,反射满足布拉格波长的光,当环境变化引起光纤内的热光效应或弹光效应时,光栅中心波长发生变化,从而实现对待测量的传感[7-10];而光纤法布里-珀罗准分布式传感系统则以相位调制传感器光纤FP结构为传感单元,通过熔接、腐蚀、镀膜、激光微加工等方法在光纤结构中形成反射面,利用反射面间的双光束干涉光谱受外界物理量调制的现象,实现对目标参量的探测[11, 12]

      在准分布式光纤传感系统在众多领域得到大规模应用的同时,日益增长的应用需求也对系统的搭建和维护成本、复用容量、覆盖范围、测量速率、定位能力等都提出了更高的要求,促使着研究人员不断探寻新的传感解调方案。近年来,随着微波光子学的快速发展,这种融合了光子技术和微波技术各自优势的新型交叉学科,以其大带宽、低损耗、灵活可重构等优点[13-15],不仅在光载无线通信、宇宙空间探测、雷达系统等领域得到了广泛研究[16-18],还在光纤传感解调领域展现出引人注目的应用潜力。通过微波光子技术将微波信号调制到光信号上,借助微波测量手段,能够在提升系统解调速率的同时,获得高测量精度和强定位能力,并在一定程度上降低了系统的搭建和维护成本。

      本文将针对微波光子学在准分布式光纤传感系统解调中的应用,从光纤光栅准分布式传感系统和光纤FP准分布式传感系统两大类,对微波解调系统的基本原理、实验实现及解调性能等进行介绍,并在最后对现有方案存在的问题和未来研究发展方向进行分析讨论。

    • 利用微波光子技术对光纤光栅准分布式传感系统进行解调的基本原理,是通过光载波调制,将传感光栅的光波长变化,转化为微波域上的强度或频率变化;借助微波检测手段来提高系统的解调精度和速率,并通过时-频域变换实现对传感单元的定位。按照解调系统的基本原理,可以将光纤光栅准分布式系统的微波解调方案大致分为微波光子滤波器(microwave photonic filter, MPF)、微波光子外差和光电振荡器(optoelectronic oscillator, OEO)三种。

    • 基于MPF的光纤光栅准分布式传感解调系统的基本结构示意图如图1所示。由光源输出的光信号首先通过电光调制器(electronic optic modulator, EOM)与输入微波信号进行调制,之后作为载波在光纤传感系统中传输,经过传感区到达光电探测器(photodetector, PD),最终获得携带了待测参量变化信息的输出微波信号。

      图  1  基于MPF的光纤光栅准分布式传感解调系统示意图

      Figure 1.  Diagram of the FBG quasi-distributed sensing and interrogation system based on MPF

      假设输入微波信号的频率为ω,光信号从调制器经过传感区域中第i个光栅反射到达探测器的总时间为tiλi为第i个光栅的中心波长,Pi表示第i个光栅反射光功率的大小,N为传感区中光栅的总数目,则整个准分布式光栅传感网络的频率响应表示为:

      $$H\left( \omega \right) = \sum\limits_{i = 1}^N {{P_i}\left( {{\lambda _i}} \right)} {e^{ - j\omega {t_i}}},$$ (1)

      对该系统的频率响应进行逆傅里叶变换(inversed Fast Fourier Transform, IFFT),即可得到系统的时域响应:

      $$h\left( t \right) \propto \sum\limits_{i = 1}^N {{P_i}\left( {{\lambda _i}} \right)\delta \left( {t - {t_i}} \right)} ,$$ (2)

      从上式可以看出,不同光栅反射回的信号在时域上呈现出分立的冲激峰,冲激峰的强度包含了光栅反射光的光功率信息。因此,通过检测传感系统的输出微波信号,可以实现对光栅传感系统的解调和定位。

      由于上述原理在实际的解调过程中需要对调制到光载波上的输入微波信号和从光电探测器获取的输出进行同步扫描,因此在微波系统中常用的矢量网络分析仪(vector network analyzer, VNA)能够很好地满足同步扫描的要求。以VNA为核心器件的MPF微波解调系统的示意图如图2所示,该方案结构简单,易于搭建,因此被广泛应用于准分布式光纤传感系统的解调[19-23]

      图  2  基于矢量网络分析仪的MPF光纤光栅准分布式传感解调系统示意图

      Figure 2.  Diagram of the MPF FBG quasi-distributed sensing and interrogation system based on VNA

      2013年,西班牙巴仑西亚理工大学的Ricchiuti等人在此前单长周期光纤光栅传感解调实验的基础上[19],利用矢量网络分析仪首次实现了对500个串联长周期光纤光栅准分布式系统的解调[20]。但由于长周期光栅属于透射式光纤传感器,在级联系统中需要通过增设反射端面和参考抽头来提高传感区的光反射能力,因此增大了系统的复杂程度和使用难度。

      为了使微波解调系统能够更好地适应实际光纤光栅传感网络的需求,2015年,华中科技大学夏历教授课题组针对大规模长距离传感领域的应用,提出了如图3所示的新方案[21]。该系统采用具有相同中心波长的全同弱反光栅作为传感单元,以提高系统的复用能力;使用光带通滤波器(optical bandpass filter, OBPF)进行匹配滤波,将光栅中心波长变化转化为反射光强度变化,以解调出每个光栅的具体信息。当有外部应力作用在光栅上时,与该光栅对应的IFFT峰的幅度将发生变化。该方案获得的解调结果具有良好的线性,且能够与现有的光纤光栅传感网络良好兼容。

      图  3  基于MPF的弱反光纤光栅准分布式传感解调系统[21]

      Figure 3.  Microwave interrogation for the weak FBG quasi-distributed sensing system based on MPF

      由于基于MPF的准分布式光栅微波解调系统均采用强度解调的方法,因此光源输出功率波动或光纤传感链路中存在弯曲、盘绕等损耗变化都会对解调结果的准确性产生负面影响。针对这一问题,Cheng等人提出了一种结合了差分滤波和微波网络的准分布式超短光纤光栅的解调方案[24]。如图4所示,系统在马赫-曾德干涉仪的上下两路设置了一对中心波长相差仅0.4 nm的高斯滤波器,利用两臂的光程差将光栅反射的光信号转化一对相邻的冲激信号。对两相邻冲激峰求取强度比,即可获得该光栅的波长漂移情况。该方案不仅对光源的功率波动免疫,还保证了解调结果不受传输光纤中弯曲损耗等的影响。

      图  4  基于多抽头MPF的超短光栅差分解调系统及其基本原理示意图[24]

      Figure 4.  Basic structure and principle of the differential demodulation of ultra-short FBGs based on multi-tap MPF

      前述的几种微波解调方案虽然具有定位能力强、测量精度高等优点,但是均只适用于全同光纤光栅网络,对于由不同中心波长的光栅组成的波分复用(wavelength division multiplexing, WDM)系统则不能发挥准确定位和解调的功能。针对这一问题,研究人员首先提出了波长-射频延迟映射的解决方案,通过光纤色散对不同波长的反射光引入不同时延,最终达到区分不同光栅传感信息的目的[25, 26]。但系统对引入时延的光纤长度和光纤种类,以及矢量网络分析仪的扫频范围、采样点数都提出了要求,并容易受到传感器交叉敏感的影响。

      为了尽可能降低传感器交叉敏感以及光纤链路中光源功率波动、传输损耗等给解调结果带来的误差,2019年,Wu等人提出使用双Sagnac环结构实现对WDM光栅复用系统的同时差分解调[27]。如图5所示,系统在马赫-曾德干涉仪的两臂分别设置了一个基于单模-保偏-单模结构的Sagnac滤波器,两滤波器的光谱存在0.48 nm的错位。由于Sagnac环属于宽谱滤波器,且其透射谱在每个通道下都具有类高斯的线型,因此只需不同光纤光栅的中心波长与Sagnac透射谱的不同通道一一对应,即可实现对多个不同光栅的同时、独立、线性解调。

      图  5  基于双Sagnac环和差分滤波的WDM准分布式传感微波解调系统。(a)系统结构示意图;(b)双Sagnac环光谱图;(c)由频域响应逆傅里叶变换得到的时域响应谱[27]

      Figure 5.  Microwave interrogation system for the WDM quasi-distributed sensing system based on double Sagnac loops and differential demodulation. (a) Experimental setup; (b) Spectra of the double Sagnac loops; (c) Time-domain response obtained from the IFFT of the frequency response.

    • 基于微波光子外差的光纤光栅准分布式微波解调系统同样采用外调制的方法,将高速扫频的微波信号加载到作为光源的非相干宽带光上,通过检测光栅反射信号与原始光信号之间的外差拍频信号信息,实现对施加在光栅上的外界环境变化进行解调[28],其中拍频信号的频率变化与光栅波长变化情况、纤内总色散量成正比。

      基于上述原理,研究人员已经提出了形式多样的光纤光栅微波解调方案,并获得了出色的解调精度和响应速率[29-31]。2018年,武汉理工大学李政颖教授课题组将微波光子技术与色散相结合,搭建了如图6所示的基于微波光子外差的准分布式光纤光栅微波解调系统,实现了对弱反光纤光栅准分布式系统的高速解调[32]。其中,系统采用14.7 km的色散补偿光纤(dispersion compensation fiber, DCF)为波长-频率转换提供高色散值,最终获得8 pm的高解调精度,且解调结果与光谱仪的直接测量结果具有高度一致性。此外,该系统还展现出优秀的动态传感能力,在高速振动实验中实现了40 kHz的解调速率。

      图  6  基于DCF的微波光子外差准分布式光栅解调系统[32]

      Figure 6.  Microwave photonics heterodyne interrogation for the FBG quasi-distributed system based on DCF

      虽然上述系统具有高解调速率和高测量精度的优点,但当环境温度发生变化时,色散补偿光纤的热光效应和热延展效应会对两路光信号的拍频造成严重影响,给光栅波长解调结果带来误差,降低在大规模复用情况下解调结果的可信度。为了解决这一问题,2019年,该课题组的Liang等人又提出了基于DCF-SMF双通道的改进方案[33]。新方案在前述系统的基础上增设了另一路15.2 km SMF通道,用以消除环境温漂带来的测量误差,达到修正解调波长值的目的。双通道系统在保留了单通道系统的高速率、低成本优点的同时,提高了波长测量结果的准确性和线性度,消除了温度交叉敏感带来的负面影响。

      除了通过设置参照链路、利用DCF的色散特性实现微波光子外差法解调外,还可以利用基于混沌源的非相干光频域反射技术来实现准分布式光栅系统的拍频解调[34-35]。如图7所示,系统的非相干光由在光反馈作用下产生混沌振荡的DFB(distributed-feedback)激光器产生,这种混沌光源具有线宽宽、相干长度短、干涉噪声低的优点,有助于提高传感解调网络的整体复用容量。该系统实验实现了对3640个弱反光栅的定位和波长解调,展现出了基于混沌源的IOFDR技术在大规模密集复用场景下的出色解调能力。但该方案在进行光栅的波长解调时,需要对DFB激光进行热调谐以改变其激射光的波长,显著降低了系统的解调速度,限制了其在动态参量传感方面的应用潜力。

      图  7  基于混沌源IOFDR的超弱光纤光栅准分布式传感解调系统示意图[35]

      Figure 7.  System diagram of the ultra-weak FBG quasi-distributed sensing system based on the IOFDR chaos source

    • 基于光电振荡器(optoelectronic oscillator, OEO)的光纤光栅准分布式微波解调系统以图8所示的光电混合的反馈环路结构为基础,调制后的输入光信号经过光放大进入到光时延线中,由探测器转化为电信号,电放大后的信号大部分作为反馈微波信号输入到调制器端口,小部分作为输出微波信号用以频谱测量。只有当闭环增益足够大时,OEO系统才会产生振荡。由于OEO系统的振荡频率主要取决于环路的长度,因此通过对输出微波频谱进行测量,可以求取出光纤环腔腔长等关键参数[36-38]

      图  8  OEO系统基本结构示意图

      Figure 8.  Basic structure diagram of OEO system.

      2020年,南京大学的Wang等人以OEO系统原理为基础,提出了一种准分布式光纤光栅微波传感解调系统[39]。在该方案中,级联光栅阵列通过环行器连入到OEO振荡环路中,借助光栅的反射特性,使复用系统中的每个光栅都与不同的环路长度对应。通过对具有不同FSR的振荡峰进行测量和分析,即可解调出光栅的波长和空间位置信息。该系统作为一种数字离散位置编码系统,具有很强的抗干扰能力。但上述方案的理论复用容量仅为62,对于实际应用需求来说仍有待进一步提高。

      对上述三种不同的光纤光栅准分布式微波解调方案进行比较,通过表1可以看到,基于MPF的微波解调方案在实现高精度空间定位方面更具有优势,并且通过波长-频率延迟映射、差分滤波解调等优化方法,能够消除功率波动等对解调结果准确性的影响,满足WDM系统的解调需求;但受到VNA扫描速率的限制,其在解调速度方面仍有待提高。基于微波光子外差法的解调方案则在解调速率方面具有显著优势,能够满足高速解调和动态传感的需要,且其双通道平衡探测的结构同样可以很好地解决交叉敏感的问题;但该方案在空间分辨率方面有所牺牲。而基于OEO的解调方案虽然具有优秀的信号信噪比和稳定性,但其系统容量较为有限,目前不适于大规模光栅复用系统的解调。

      表 1  针对光栅准分布式系统的不同微波解调方案比较

      Table 1.  Comparison of different microwave demodulation schemes for the FBG quasi-distributed system

      解调方案复用容量/个空间分辨率/m解调速率其他特点
      微波光子滤波器结构[23]500 (实验)0.2受限于VNA扫描速率能够对间距小于相干长度的密集型系统进行解调
      微波光子滤波器结构+宽谱差分滤波[27]19400 (理论)0.1受限于VNA扫描速率能够适用于WDM系统的解调;解调结果不受功率波动影响
      微波光子外差法+DCF-SMF双通道解调[33]105 (实验)180 kHz具有动态解调能力;波长解调精度6.96 pm
      混沌源非相干光频域反射[34]3640 (实验)0.1受限于光源波长扫描速率相干噪声低;能够解调大规模复用系统
      光电振荡器结构[39]62 (理论)10.61 s信噪比>35 dB;频率不稳定度<28 kHz
    • 以光纤FP为代表的光纤干涉结构是准分布式光纤传感网络中另一种常见的传感单元。与光纤光栅微波解调原理类似,对于基于光纤FP干涉仪的准分布式传感系统,同样可以使用光载微波信号的方法进行频域辅助测量。根据具体解调方法的不同,可以将光纤FP准分布式系统的微波解调方案分为光载波微波干涉技术(optical carrier based microwave interferometry, OCMI)和相干微波光子干涉技术(coherent microwave-photonic interferometry, CMPI)两种。

    • OCMI微波解调技术主要基于低相干光源实现。当系统光源为非相干光时,光源的相干长度较短,其带宽远小于任意两个反射点之间的光程差。此时,系统复频域响应的交叉积项为零,可以利用其自积项重构出微波域中的干涉谱,并通过微波相移求出光程差的变化[40, 44]

      这种利用低相干光和微波光子技术的光纤准分布式解调方法自提出以来就得到了研究人员们的广泛关注[40-43]。2013年,基于OCMI技术的光纤FP准分布式传感解调方案由美国克莱姆森大学Xiao课题组率先实验实现[40]。如图9所示,系统使用单模光纤与毛细管(capillary tube)熔接而成的全光纤FP腔作为级联传感单元,通过对可调谐滤波器的中心波长进行调整,可以获得不同波长下时域IFFT冲激信号的强度值,进而分别还原出这各个光纤FP的光谱信息。实验结果表明,微波重构获得的光谱与光谱仪直接测量的结果相吻合,在保证了高准确性的同时,还兼具了传感器定位的能力。

      图  9  基于OCMI技术的光纤FP准分布式传感解调系统[38]

      Figure 9.  Fiber FP quasi-distributed sensing system based on OCMI technology.

      除了由分立的光纤FP传感器级联组成的准分布式传感链路外,OCMI技术还可以对空间连续型的光纤FP传感系统进行解调。通过热熔接[39]或者飞秒激光器刻写[41, 42]的方法,可以在传感区光纤中得到一系列反射点,相邻弱反射点可视为一对光纤FP结构。该种光纤FP准分布式系统不存在测量暗区(dark zone),适用于机械结构表面形变等场景的测量和监控。此外,OCMI技术还可以应用于其他类型的波导或自由空间干涉仪系统中,以及各种物理、化学和生物领域的准分布式测量。

    • 有别于OCMI技术,CMPI微波解调技术是基于相干光源实现的。对于一个具有N个弱反射点的光纤来说,当系统光源为相干光时,由于相邻反射点间的干涉现象,使得反射点所对应的反射光强度值与反射点间光程差的变化密切相关。因此,CMPI系统能有效地将反射点之间的光程差变化转化为与特定反射点对应的时域脉冲的强度变化。2017年,Hua等人搭建了如图10所示的CMPI微波传感解调系统,利用实验对理论分析的结论进行了验证[44]。实验结果表明,对于腔长为1.5 cm的光纤FPI,该系统实现了0.6 µε的应变分辨率;当FPI的腔长增加到1 m以上时,可以将应变分辨率进一步提高到nε水平。

      图  10  基于CMPI技术的光纤FP准分布式传感解调系统示意图[44]

      Figure 10.  Experimental setup of the fiber FP quasi-distributed sensing system based on CMPI technology.

      由于CMPI技术对反射点光程差的灵敏性,该解调方法在动态参量的测量中也展现出优秀性能。例如在多点振动传感实验中,研究人员利用级联光纤FP为振动传感单元,借助CMPI微波解调系统,实现了最高2.3 kHz的振动解调和振动点定位[45]。该实验结果表面,基于CMPI的光纤FP准分布式传感系统有望在压力波等更加复杂的物理量测量中得到应用。

    • 基于微波光子学的准分布式光纤传感解调技术,相较于传统的基于波长解调的光纤解调技术,具有高解调速率、高测量精度、强定位能力等优秀特性,有助于降低系统搭建成本、提高系统整体性能,在土木、机械、航天等领域的长距离、高精度传感场景中具有引人注目的应用潜力。本文根据传感单元类型和解调原理,从光纤光栅准分布式传感系统和光纤FP准分布式传感系统两大类,详细介绍了国内外准分布式微波解调技术的研究进展,对比分析了微波光子滤波器、微波光子外差、光电振荡器等解调方案在空间定位、解调速率、复用容量、系统复杂度和稳定性等方面的不同特点。

      尽管目前针对准分布式光纤传感系统的微波解调技术在理论和实验室研究方面已经取得了丰硕成果,但其在系统工程化方面仍存在着一些有待解决和突破的问题。首先,受到传感器自身响应特性的限制,现有的准分布式光纤传感微波解调系统仍多限于单一物理量,如温度、应变的测量,难以满足越来越多样化的实际应用场景。如何在微波系统中实现不同参量的同时准确解调、解决待测参量间存在的交叉敏感问题,将成为未来微波解调技术的研究方向之一。在拓展传感物理量类型方面,可以通过将传统光纤光栅、光纤FP结构与特种光纤[46]、表面等离子体效应[47]等新技术相结合的方法,提高复用传感器在折射率、气压、电流、磁场等更多参量的灵敏度,以实现其在特殊场景下的应用。在消除待测参量间的交叉敏感方面,可以通过优化传感器件封装、采用双通道差分解调[24, 27]、利用马赫-曾德等干涉结构进行外差探测[32, 33]、设置对照链路[33]等方法,实现物理量的准确、稳定测量。

      其次,目前报道的微波解调技术受到解调方案、器件指标等的限制,如传感器结构对高频参量灵敏度不高、核心器件VNA扫描速率较低、VNA频率扫描精度与扫描范围存在矛盾、DFB激光光源波长调谐耗时较长等,大多仅能实现对静态参量或低频参量的高精度传感,在高频参量测量方面精度较低。针对这一问题,需要在优化声波等动态参量光纤传感器结构[48]的同时,采用CMPI等无需进行光源调谐的微波光子技术[44, 45],使用信号发生器、光电探测器、高速采集卡等器件替代矢量网络分析仪[31, 33],配合Chirp-Z、Hanning窗等后续处理算法[32],提高光纤准分布式传感系统对快速变化信号的感知、响应、测量和解调能力。

      另外,现有的微波解调系统均采用分立的实验器件,增加了系统的整体体积和信号传输损耗,降低了系统的稳定性,不利于该技术在实际光纤准分布式系统中的应用。因此,通过与硅光子技术等新兴前沿领域相结合,探索光电器件及微波器件的小型化、集成化成为促进微波解调技术向低成本、高实用性发展的重要研究方向。

参考文献 (48)

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