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高分辨率光纤传感器问世 分辨率达一厘米

导读: 为了修复老化的基础设施,监测现有的桥梁、大坝及其他大型建筑,分布式光纤传感器需要一种新型光源以监测建筑承受的应力和温度变化。然而,这种常见的光纤传感器——基于受激布里渊散射(SBS)的非线性光学现象——受到难以克服的空间范围和分辨率的限制。

为了修复老化的基础设施,监测现有的桥梁、大坝及其他大型建筑,分布式光纤传感器需要一种新型光源以监测建筑承受的应力和温度变化。然而,这种常见的光纤传感器——基于受激布里渊散射(SBS)的非线性光学现象——受到难以克服的空间范围和分辨率的限制。

西班牙和瑞士的研究人员已经解决了这些困难,他们研究出了一种在较短的时间内能够在10公里的范围内,厘米级的空间分辨率下检测出百万分之一的温度或应力变化的方法。该团队认为,该方案的分辨率之高使其能够在长距离的基础设施监控和更精密的生物医学环境中找到用武之地。

信号失真

SBS光纤传感器通过发送脉冲激光信号,即抽运脉冲,通过一定长度的光纤传播后与反向传播的连续波(CW)探针激光束相遇。(实际上,为了防止某些系统误差,这些系统通常使用两个CW探针波,并用与光纤材料特性相关的调制频率将两列波区分开,即所谓的双边带方法。)抽运脉冲与光纤的非线性相互作用产生受激布里渊散射(SBS),非弹性斯托克斯和反斯托克斯散射,这种散射将会改变脉冲光信号的频率分布。这种所谓的布里渊频移取决于随应力和温度变化的光纤的材料性质;因此,可以通过对布里渊频移的分析来检测沿着光纤长度的那些参数的变化。

高分辨率光纤传感器问世 分辨率达一厘米

虽然基于SBS的光纤传感已经在各种基础设施的建设中找到了用武之地,但它仍然存在一些问题。其中一个问题就是监测范围有限。最近的分析表明,跨度达数公里的探头所需要的功率(以及光纤所受应力和温度变化)可能会使抽运脉冲信号失真,严重影响对布里渊频移的精确探测。

另一个问题是有限的空间分辨率。因为SBS依赖于非线性的光与物质相互作用以产生声波,因此在时域技术中存在空间分辨率上微小但十分明显的时滞。在频率和相关域中的其他技术能够弥补SBS的缺点,但需要的时间更久——测量沿光纤分布的一百万个点大约需要一个小时或更长的时间。

关于扫描的问题

西班牙与瑞士的联合研究团队,以及西班牙阿尔卡拉大学和瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)的科学家们似乎已经找到了解决这些问题的方法。他们通过深入研究信号扫描的实际细节,进而得出与应力或温度变化相关的布里渊频移。

在大多数时域下基于SBS的光纤传感方案中,频移是通过对称地扫描两个边带探测光束相对于固定抽运脉频率的偏移来确定的。然而,事实证明,这种扫描方法是高探头功率下脉冲失真的主要来源。这是因为两个探头边带和抽运脉冲之间难以量化的不对称能量传递——随着探头功率的增加而增加的效应。

联合研究团队发现,通过改变扫描方法,使得边带探测光束保持固定的频率差(与光纤的斯托克斯和反斯托克斯频率相关),并且用关联频率对输入抽运波束扫描——这能够显著降低信号失真。这种方法意味着探测光束功率上限变得更高,进而光纤传感系统的跨度变得更长。此外,通过消除抽运脉冲中的信号失真,该系统也具有了更高的空间分辨率。

分辨率可达一厘米

研究人员用差分脉冲宽度对,布里渊光学时域分析(DPP-BOTDA)实验测试了10千米长的单模光纤。他们发现,该方法能够探测沿光纤分布的一百万个点的布里渊频移,分辨率可达一厘米,并且能够在光纤的远端检测到3厘米的“热点”。而且,由于系统保持在时域,该方法能够在20分钟内实现这些功能,远少于在使用频率相关域方法时所花费的时间。

该研究团队认为,除了基础设施中的应用之外,该技术还可以在其他领域中使用。阿尔卡拉大学的Alejandro Dominguez-Lopez声称:“由于我们拥有如此大的监测点密度,传感器也可以用于诸如航空电子和航空航天等领域,用以监控每一寸飞机机翼。”研究人员们还认为,该系统的较高分辨率或许能促进某些生物医学应用发展,例如检测乳腺癌中存在的温度偏差。

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