01導讀

基于布里淵光時域分析技術（BOTDA）的分布式光纖傳感儀由于其具有長距離和高精度測量的優勢已被廣泛的應用于大型基礎設施結構健康監測等領域。

在傳統的BOTDA系統中，受限于10 ns的聲子壽命，空間分辨難以突破1 m，然而空間分辨率是探測小尺寸溫度或應變事件的關鍵因素。

針對上述問題，太原理工大學張明江教授團隊提出了一種基于單脈沖自差分（MPSD）的厘米級空間分辨率BOTDA傳感方案。

該方案通過將傳統BOTDA方案中單發長脈沖產生的時域曲線進行自差分，實驗基于40 ns脈沖在約2 km傳感光纖上實現了5 cm空間分辨率的溫度測量。該方案簡單易操作，空間分辨率與脈沖寬度無關且可以根據具體的應用需求進行調節而無需硬件修改，突破了脈沖寬度對空間分辨率的限制，極大地促進了BOTDA分布式光纖傳感系統的實用性。

02研究背景

分布式光纖傳感技術因可實現光纖沿線任意位置多種物理量的實時監測，成為國內外研究和發展的重點。其關鍵性能指標（包括傳感距離、測量精度、空間分辨率和測量時間）的優化也是研究者們創新的熱點。

基于布里淵散射光時域分析的傳感系統具有長傳感距離和高測量精度的優勢，但在實際應用中高空間分辨率的監測顯得尤為重要，在傳統系統中采用脈沖激光作為傳感信號，利用脈沖飛行法確定傳感光纖中待測物理量變化的位置，因脈沖寬度受布里淵聲波場聲子壽命的限制空間分辨率無法突破1m，導致微小尺寸的事件區無法及時識別而引發災害。

為提高BOTDA系統的空間分辨率，多種優化方案被提出。聲波場預激發技術，在傳感脈沖光前增加一段寬脈寬的預泵浦脈沖光，預先激發出穩定的聲波場從而克服聲子壽命的限制實現亞米級的空間分辨率。差分脈沖對技術，通過兩個長脈沖產生的時域曲線差分實現了厘米級空間分辨率，其空間分辨率是由兩個寬脈沖寬度差決定。

該方案是目前普遍使用，易操作且有效的高空間分辨率方案。信號后處理技術，通過對采集的單脈沖時域曲線進行算法解調（例如上升沿解調算法）從而實現厘米級甚至毫米級的空間分辨率。

本方案中提出了一種基于單發長脈沖自差分的厘米級空間分辨率方案，其原理簡單易操作且空間分辨率與系統的采樣率成正比，突破了脈沖寬度的限制，在傳統BOTDA系統中實現了厘米級的空間分辨率。

03創新研究

3.1 基于單脈沖自差分方案的高空間分辨率解調原理

本文首先分析了傳統的BOTDA傳感系統中時域曲線的產生過程，如圖1所示。當脈沖寬度遠大于事件區長度時，隨著長泵浦脈沖傳輸經過溫度變化區（位置a-d），在溫度區最佳增益頻率下采集的時域曲線如藍色曲線所示，可以得到溫度區時域曲線的上升沿和下降沿所對應的空間尺度理論上等于事件區的長度。

但是考慮到在實驗中使用泵浦光為非理想矩形脈沖，同時受到系統采集帶寬和光纖中噪聲的影響，時域曲線的上升或下降沿不能直接作為事件區準確測量的工具。

基于此，本團隊提出了單脈沖自差分方案，通過解調時域曲線下降沿進行事件區的識別（在此處考慮到泵浦脈沖進入事件區的過程中伴隨著聲波場的建立，產生的上升沿變化緩慢，將會帶來較大的誤差，而當脈沖離開事件區時，聲波場會迅速消失），具體下降沿的解調是基于前向差分的原理，通過將傳統BOTDA方案中長脈沖產生的時域曲線和其向前位移后產生的曲線進行差分來實現，其理論示意圖如圖1所示。

通過分析得出，當差分的距離等于事件區長度時，空間分辨率等于差分距離（由差分曲線的上升沿確定），同時差分曲線的半高全寬等于事件區長度即事件區的測量可通過對差分曲線半高全寬的解調得到，且此時差分曲線有較高的幅值可得到較高的解調精度。



圖1 單脈沖自差分原理圖

假設系統的采樣率為Q，則每一個采樣點對應的空間長度為：



當前向差分的距離不超過事件區長度時，其空間分辨率表示為：



其中，νg為光在光纖中的傳播速度，M是前向差分的點數，s為前向差分的距離。

例如，當采樣率為10 GSa/s時，系統的最高采樣率為1 cm。因此在該方案中，系統的空間分辨率與脈沖寬度無關，與系統采樣率成正比。 同時該方案中溫度區的定位公式如下：



其中，為長脈沖寬度，根據該公式可以獲得溫度變化區的起始位置。

3.2單脈沖自差分方案的測試結果

實驗設置傳感光纖總長度為2 km，末端設置溫度變化區長度為5 cm，使用長脈沖寬度為40 ns，示波器采樣率為20 GSa/s。

如圖2所示，前向差分點數M分別為5、10和20時得到的結果與前述理論分析相一致，進一步證明了該方案的可行性，即可以通過差分曲線的半高全寬解調得到事件區的長度。

此時理論上系統的最大空間分辨率為0.5 cm，但是由于系統噪聲和采集帶寬的影響僅實現了空間分辨率為5 cm的測量。

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圖2 MPSD-BOTDA實驗結果。

(a) M=10時前向差分前后的時域曲線, 事件區局部放大圖(b) M=5, (b) M=10, (d) M=20.

光纖沿線布里淵頻移的2維分布如圖3所示，在傳統BOTDA系統中無法識別到5 cm的溫度變化區；經過前向差分處理后可以清晰的觀察到5 cm的溫度變化區。

同時可以看到在本方案中，經過前向差分處理后的非事件區的時域信號會被消除，僅在事件區的信號被保留和精確解調。

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圖3 傳感光纖沿線布里淵頻移2維分布圖. (a) 傳統BOTDA系統, (b) MPSD-BOTDA系統.

圖4為 2 km光纖沿線布里淵頻移的解調結果，其中溫度區的信息是由前向差分后的數據解調得到，非溫度區的信號由傳統BOTDA系統采集的原始數據解調得到。

測量得到溫度變化區的長度為5.11cm，布里淵頻移差約為59.26MHz，與施加的溫度區長度和60℃的溫度差相符。

本方案在傳統BOTDA系統中基于單發長脈沖實現了厘米級空間分辨率的溫度傳感。

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圖4MPSD-BOTDA方案中傳感光纖沿線布里淵頻移解調結果.

04應用與展望

本文提出了一種基于單脈沖自差分的厘米級空間分辨率解調方案，在2 km的傳感距離下將傳統米量級的空間分辨率提高至5 cm，此空間分辨率理論上與系統的采樣率成正比與脈沖寬度無關，且可以根據應用需求通過改變前向差分的點數進行調整。通過提高系統采樣率或引入濾波降噪算法可進一步提高系統的空間分辨率。

該方案是一種簡單易操作且有效的高空間分辨率方案，適用于所有基于OTDR原理的傳感系統，在橋梁隧道、油氣管線、智能電網等大型基礎設施結構健康監測領域等諸多場景中具有應用潛力和實用價值。





審核編輯：劉清