Review | 光纤感知世界：分布式布里渊时域传感系统的研究进展

论文导读

      分布式时域布里渊光纤传感器已广泛应用于温度和应变的测量。温度和应变与布里渊频移的线性关系使得基于布里渊增益谱映射的分布式温度和应变传感得以实现。此外，四波混频(FWM)相关联的受激布里渊散射过程可以检测到声波，其中受激布里渊散射过程在不同的传输轴通过双折射相干的相位匹配条件进行上下转换。布里渊散射可以看作是移动光栅(声子)对泵浦波的散射，在由此产生的斯托克斯波中引起多普勒频移。该过程可用于分布式温度和应变的测量，监测基于受激布里渊散射的随机光纤激光器的增益，以及激光增益介质内部的相对强度噪声。加拿大渥太华大学鲍晓毅院士团队2021年7月30日在 PhotoniX 发表综述“Review: distributed time-domain sensors based on Brillouin scattering and FWM enhanced SBS for temperature, strain and acoustic wave detection”。文章介绍了基于布里渊散射的分布式时域传感系统，包括布里渊光时域反射计(BOTDR)、布里渊光时域分析仪(BOTDA)和基于四波混频增强的受激布里渊散射用于声波探测的工作原理和最新进展。

研究背景

      近几十年来, 基于分布式布里渊散射的温度和应变传感技术在桥梁、大坝、管道和铁路结构健康监测中有着广泛的应用。与基于瑞利散射或拉曼散射的分布式温度传感器相比，基于布里渊散射的分布式传感器在长传感范围内提供了高空间分辨率, 这是由于窄幅线宽(MHz)带来的高受激布里渊散射增益和低的增益放大功率要求。市场上有两种基于布里渊散射的典型分布式时域结构: 布里渊光学时域分析仪(BOTDA)和布里渊光学时域反射计(BOTDR)。与BOTDR相比，BOTDA利用受激布里渊散射(SBS)，通过在光纤中发送频率差匹配布里渊频移的脉冲探测光和连续泵浦光，来增强散射过程，以获得强信号和更好的空间分辨率。多年来，BOTDA的性能得到了显著改善，从而在行业结构健康监测中得到了应用。自首次展示的3℃温度分辨率、超过1km的传感长度和100m空间分辨率的分布式温度传感器以来，世界各地的许多研究人员都在这一领域做出了贡献，展示了长传感长度(超过100 km)，较高的空间分辨率(cm)和高温度/应变分辨率。

      另一方面，受激布里渊散射效应产生的布里渊动态光栅可以用于随机激光器特性检测。布里渊动态光栅的探测为四波混频过程，在满足相位匹配的条件下，信号光的增益最强。我们通过检测随机激光器的增益光纤中每个位置的受激声波，来检测激光器中分布噪声的产生、形成和放大。这可用于监测基于SBS增益的随机光纤激光器随时间和位置变化的强度波动。

技术突破

      高空间分辨率的分布式布里渊传感器能够更准确地测量物理参数的变化，并在非常小的尺度上对其进行定位，如桥梁、管道中的裂缝和变形。传感器的空间分辨率和测量精度之间存在相互制约的关系。为了实现高空间分辨率，探测脉冲应尽可能窄(空间分辨率为1 m对应的脉冲持续时间为10 ns)。然而，随着脉冲持续时间的减少，产生的脉冲频谱变宽。由于测得的布里渊增益谱是脉冲谱与自然布里渊谱的卷积，所以当使用频谱很宽的短脉冲时，测得的布里渊谱也很宽，因此引入测量误差。

      1998年，Brown等人通过复合光谱分析方法实现了第一个亚米空间分辨率的BOTDA系统，空间分辨率为50cm。许多其他技术也成功地提升了系统的空间分辨率，包括暗脉冲技术，脉冲预抽运(PPP)技术，差分脉宽(DPP)技术，布里渊回波技术，和定制补偿技术。表1展示了基于上述技术的发展，并对其系统的指标进行了对比。

      此外，BOTDA传感器的测量时间通常在几到几十分钟的范围内，这是由于需要扫描布里渊增益谱，以及许多次的BOTDA轨迹平均，以带来更好的空间和传感分辨率。近年来，研究人员提出了一系列用于提高BOTDA测量速度的技术，比如frequency-agile技术，边沿辅助技术，频率梳技术以及光学啁啾链技术。表2展示了部分高速测量BOTDA系统及其性能参数。

      通过探测布里渊动态光栅来测量布里渊随机光纤激光器的分布式动态特性，是近年来本课题组提出的探索随机光纤激光器物理机理与分布式统计特性的新方法。布里渊随机光纤激光器是产生高相干光源的重要手段，但具有较差的稳定性，限制了其进一步的应用与发展。因此，探索布里渊随机光纤激光器的产生机理与保持稳定性的解决方案具有重要意义。本课题组根据保偏光纤的双折射特性，利用布里渊动态光栅在不同偏振方向上具有不同中心波长的特性，提出了通过正交偏振探测光来测量布里渊随机光纤激光器中动态光栅的方法，如图1所示。在物理机理上，该测量过程是探测光、泵浦光、随机激光与信号光（被返回的探测光）的四波混频过程。当满足相位匹配条件是，信号光具有最大增益。同时，利用分布式光纤传感的技术，用脉冲光对随机激光器的增益光纤进行分布式测量，能够探测到激光器中增益随位置的变化趋势、布里渊动态光栅的线宽、双折射分布及分布式光强统计特性。为理解随机光纤激光器的物理机理提供了良好的实验支撑。

观点评述

      基于布里渊散射的分布式光纤传感器具有空间分辨率高、测量距离远、布里渊频移测量精度高等优点，可广泛应用于管道、大坝、公路桥梁、铁路等领域的应变监测。与应变和温度相关的布里渊频率测量确保了绝对测量，这对航天和国防领域的高精度测量非常重要。光纤的另一个特点是它的介电特性，这使得它们不受电磁干扰，可以在恶劣的环境中使用，例如飞机和发电机。温度和应变的交叉敏感问题可以通过特殊的光纤来缓解，在不同的声模式下存在多个布里渊增益谱峰，这允许同时进行温度和应变传感。从分布式布里渊传感器的诞生到现在已经30年了，许多不可能的测量已经被实现，最后一步是把实验室的性能带到现实世界(实际)应用，造福人类社会。

主要作者

      鲍晓毅，加拿大皇家科学院院士，主要研究领域包括光纤中的非线性效应、光纤器件、窄线宽光纤激光器、微纳米光纤的制备、结构光纤和特种光纤作为集成光纤器件的研究。开发用于温度、应变、振动、压力、位移、超声波产生和检测的光纤传感器，以及纳米粒子检测，特别是用于结构健康监测和无损检测的分布式光纤传感器。

      周子超，1992年12月出生，2016年12月获国防科技大学工学硕士学位，2021年6月获加拿大渥太华大学博士学位。主要从事随机光纤激光器与分布式光纤传感系统的研究。现工作于国防科技大学试验训练基地。

      王远，1993年2月出生，国家公派博士留学生，现就读于渥太华大学攻读博士学位，主要从事高性能分布式传感系统的研究。在Optics Letters, Optics Express等光学国际知名期刊发表数10篇。

• PhotoniX是中国光学工程学会新办会刊，由中国光学工程学会、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编，拥有强大的国际编委和编辑团队。属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。PhotoniX主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。

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