基于多载波调制与频域编码的布里渊分布式光纤传感系统研究

Distributed Brillouin optical fiber sensor has great potential for health monitoring of large civil structures. Currently, trade-off between high spatial resolution, long sensing range and real time limits the application of such sensors. In this project, the multicarrier modulation and pump light coding technique is introduced to the Brillouin optical time analyzer (BOTDA). The multicarrier technique allows a parallel processing for a fast Brillouin signal acquisition, while the frequency coding technique can provide a coding gain for high signal-to-noise ratio. Thus the high spatial resolution can be obtained over a long sensing range. The study of this project has very important theory and practical value for health monitoring of large civil structure.

布里渊分布式光纤传感技术在大型基础设施的结构健康监测领域具有广阔的应用前景。传统的布里渊传感器存在测量空间分辨率、传感距离与测量时间之间相互制约的问题，极大的限制了这类传感器的应用范围。本项目针对上述问题，提出将多载波技术、泵浦光频域编码技术与布里渊光时域分析（BOTDA）技术相结合。利用多载波技术实现数据的并行提取和处理，将时域编码变为频域编码，提高系统的实时性。同时，利用编码增益提高系统的信噪比，在保证空间分辨率不变的情况下，提高系统的传感距离。本项目的研究对结构健康检测具有重要的理论意义和实际应用价值。

本项目执行期为2017年1月至2020年12月，资助经费60万元，计划围绕基于多载波和编码技术的分布式光纤传感技术设计的关键问题开展研究。项目研究了将编码加载到正交频分复用（OFDM）子载波时的系统响应。设计完成了信号的串并变换、正交调制、合并、插入保护间隔、加窗等工作。完成了信号传输过程中，光纤噪声和非线性效应对信号解调效果的影响分析。我们用3位的Simplex编码的OFDM信号在5km单模光纤上，实现了16m的空间分辨率，从而验证了技术方案的可行性。提出利用多频脉冲信号产生的声场叠加实现布里渊频谱烧孔效应，并利用该效应窄线宽的吸收谱特性将传感器频率分辨率提升了一倍。另外提出利用双频连续探测光实现窄线宽干涉谱结合时域差分脉冲对技术，使得分布式传感器在实现频率分辨率提升的同时，获得厘米量级的空间分辨率。我们在研究过程中，还发现多载波声场叠加效应会激发电磁诱导透明现象，该物理机制下的相干反斯托克斯光谱为实现长距离高频率分辨率的分布式传感提供了全新的思路，并得到了基金委的后续资助。. 在项目组全体成员的共同努力下，本项目全面完成了研究目标。发表期刊论文10篇。获得授权发明专利1项。在项目执行期间，结合本项目培养博士研究生1名，硕士研究生5名。