《红外与激光工程》于2025年第4期推出了“光纤传感技术及应用”专题，本专题特别邀请了国内相关专家团队撰写最新研究综述14篇和原创性研究论文6篇。本期带来的是西南交通大学闫连山教授团队最新工作。（查看全文请点击文末阅读原文）
论文题目：布里渊相移-增益比分布式光纤传感研究进展(特邀)
作者：李宗雷1,2，何海军1,2，周银1,2，邹喜华1,2，潘炜1,2，闫连山1,2*
完成单位：
1.西南交通大学 信息光子与通信研究中心
2.西南交通大学 光电融合集成与通信感知教育部重点实验室
导读
传感技术通过实时解析物理世界，驱动智能决策与认知革新。分布式光纤传感作为传感学前沿分支，以单根光纤实现长距离、高精度监测，在桥梁、管道等基础设施健康监测中具有巨大的应用潜力。在众多分布式传感技术中，基于受激布里渊散射效应的分布式布里渊光纤传感以其长探测距离、高测量精度、大应变温度测量范围、高长期稳定性等优势而被广泛关注和研究。通过布里渊频移与布里渊相移-增益比之间的线性关系直接映射布里渊频移，相比于常规的扫频拟合方法可大幅度降低扫频次数和原始数据量，进而提升传感器实时性。近期，西南交通大学信息光子与通信研究中心系统回顾了布里渊相移-增益比技术近年来的进展，深入分析了该技术的工作原理、技术难点和近年来提出的探测方法，相关成果发表在光学期刊《红外与激光工程》。论文第一作者是西南交通大学李宗雷副教授，通讯作者是西南交通大学闫连山教授。
研究背景
在众多分布式光纤传感技术中，基于受激布里渊散射效应的布里渊光时域分析（BOTDA）分布式光纤传感器具有传感距离长，空间分辨率高，长期稳定性好，测量范围大，传感点数多等优势，在结构健康监测、自然灾害预警等方面具有巨大的应用潜力（图1）。受激布里渊散射不仅会增大探测光的强度（表现为布里渊增益谱，BGS），同时也会改变探测光的相位（表现为布里渊相移谱，BPS）。BGS和BPS的中心频率与光纤声速及折射率有关，当光纤外部环境（温度、应变等）发生变化时，光纤声速及折射率发生变化，从而引起BGS和BPS中心频率的偏移。因此，通过解调BGS或BPS的中心频率可获取光纤任意部分的温度和应变。
图1 布里渊分布式光纤传感器的应用场景及传感信号
相干探测可同时获得BPS和BGS，该方法的核心是将探测光与参考光干涉/拍频，获得探测光的实部和虚部，进而通过模拟或数字I/Q解调获取BGS和BPS。相干探测BOTDA通常采用强度或相位调制来产生多频探测光以实现对外部环境变化鲁棒的自外差探测。外差探测虽然能实现BGS和 BPS的同时解调，但其存在系统复杂度高、原始数据量大等问题。若只需测量BPS，科研人员提出了基于零差探测或直接探测的相干探测方案，降低了系统成本和复杂度。总体而言，近年来BGS和BPS的探测及解调技术已取得了极大的进展，如何进一步同时利用BGS和BPS来提高传感性能是近年来兴起的研究热点。
主要内容
本文系统综述了布里渊相移-增益比分布式光纤传感技术的研究进展，重点围绕其工作原理、难点突破及技术优势展开。
布里渊相移-增益比技术
该技术是哈尔滨工业大学和上海交通大学于2017年同时提出的一种适用于BOTDA光纤传感器的边沿辅助技术，其利用布里渊相移-增益比（称为K-spectrum或BPGR，R(Δv)=φSBS/gSBS=-2Δv/vB）与布里渊频移之间的直接映射求解布里渊频移（图2）。相比于传统扫频拟合方法，BPGR无需扫频，响应速度更快。同时，相较于基于布里渊增益或布里渊相移的边沿辅助技术，BPGR可以抑制泵浦功率波动、泵浦消耗、温度、应力以及偏振变化引起的布里渊频移估计波动，进而实现更可靠的温度及应力传感。
图2 基于布里渊增益、相移及相移-增益比的边沿辅助技术原理图
布里渊增益/相移信号的探测方法
相干探测技术可同时获得BGS和BPS，进而获得布里渊相移-增益比。近年来，国内外学者开展了相干探测技术在消除光纤群速度色散和群时延波动，信号源幅度波动以及相位波动等方面的研究。这些研究为获取高质量的BPGR谱奠定了坚实的基础。
首先，光纤群速度色散及群时延波动将引起相干探测后BGS和BPS的畸变，这将严重影响BPGR谱的线性度和测量精度。自2010年起，国内外课题组提出了包括自外差探测，强度调制探测光、单边带调制探测光及副载波复用等多种消除光纤群速度色散的方法，如图3所示。
图3 消除光纤群速度色散及群时延波动影响的相干探测BOTDA方案及实验结果。（a）近年来提出的方案，（b）未消除光纤群时延波动时的布里渊增益谱与相移谱，（c）基于副载波复用的光纤群时延波动消除方法的结果图
其次，传感系统中的有源组件（如射频源、驱动源、拉曼放大器等）同样也会对布里渊信号引入强度和相位噪声，进而污染布里渊增益谱和相移谱，降低系统测量精度。如图4所示，2020年，美国海军研究实验室Murray J.B.等提出了数字域差分方案有效消除了共模噪声和相位噪声。2025年，西南交通大学提出了基于微波光子干涉仪的高精度BOTDA方案，通过经过相同光纤传输的两路微波信号的干涉相消，有效抑制了包括拉曼泵浦源相对强度噪声在内的各种共模噪声，从而在120千米传感距离下实现了高精度测量。
图4 消除信号源幅度及相位噪声的相干探测BOTDA方案及实验结果。（a）近年来提出的方案，（b1）信号中的噪声，（b2）基于微波光子干涉仪（MPI）的共模噪声抑制效果，（b3）不同方法下的相对强度噪声对比
最后，我们对BPGR技术的优势进行总结，主要有以下四点1）对泵浦频率及功率波动的抑制作用，提高测量稳定性，2）对泵浦消耗及非本地效应的抑制作用，3）扩展线性区域，赋能更快、更可靠的分布式光纤传感，4）可发挥图像去噪所有潜力，延伸测量距离，提高测量精度，如图5所示。
图5 BPGR技术的优势
前景与展望
布里渊相移-增益比技术可大幅度提升分布式光纤传感的实时性。其实施同时需要布里渊增益和相移信息，因此需要相干探测技术。本文回顾了近十年来相干探测BOTDA光纤传感器在实现高精度布里渊增益和相移测量方面的进展,包括抑制光纤群速度色散，消除光纤群时延抖动，以及消除信号源幅度和相位噪声等。本文还详细阐述了布里渊相移-增益比技术的主要优势以及基于布里渊相移-增益比的BOTDA光纤传感器研究进展。基于这些进展有望加快BOTDA光纤传感器在各领域的实际应用。尽管布里渊相移-增益比技术具有上述优点，但仍需要进行更深入的理论研究和应用探索。
目前布里渊相移-增益比技术可能面临的问题和探索方向有:
1）可靠性和精度：通过结合图像去噪方法提高了测量精度,但在多场景下其可靠性和稳定性还有待进一步验证和探索；
2）系统简化：基于布里渊相移-增益比技术的BOTDA光纤传感系统复杂度较高(特别是MPI方案)，如何降低系统复杂度是推动该技术实际应用的关键。
作者介绍
李宗雷
李宗雷，博士，西南交通大学副教授，硕士生导师。长期从事分布式光纤传感、非线性光纤光学、数字信号处理等方面的研究。在Optica、Optics Express、Optics Letters等期刊一作发表高水平论文20余篇。主持国自然面上及青年基金等项目。
闫连山
闫连山，博士，西南交通大学教授，博士生导师。美国光学学会会士（OSA Fellow），国家级人才入选者，IEEE光子学会杰出讲席奖获得者，50多个国际会议的联合主席或技术计划委员会成员。现任西南交通大学信息科学与技术学院院长、信息光子学与通信研究中心主任。长期从事光纤通信、光纤传感等方面的研究。发表500多篇论文，其中包括10多篇受邀期刊文章和50多场受邀口头报告，授权13项美国专利及70多项中国专利。
文章信息
李宗雷，何海军，周银，等.布里渊相移-增益比分布式光纤传感研究进展(特邀)[J]．红外与激光工程, 2025, 54(4): 20250114. DOI: 10.3788/IRLA20250114