01導(dǎo)讀

布里淵光時(shí)域分析儀（BOTDA）因其在長(zhǎng)距離分布式傳感中對(duì)溫度、應(yīng)變等多種參量的優(yōu)良性能表現(xiàn)，受到了廣泛研究與應(yīng)用。但其十分耗時(shí)的掃頻過(guò)程限制了系統(tǒng)的采樣速率，導(dǎo)致傳統(tǒng)BOTDA一般只能用于靜態(tài)測(cè)量。為實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，多種快速測(cè)量方案應(yīng)運(yùn)而生。其中，基于數(shù)字光頻梳的BOTDA無(wú)需掃頻，具有大動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍且能有效避免光功率抖動(dòng)引起的測(cè)量誤差。然而，該方案存在空間分辨率和頻率分辨率相矛盾的固有限制，致使系統(tǒng)空間分辨率嚴(yán)重受限，難以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。 針對(duì)上述問(wèn)題，華中科技大學(xué)唐明教授、趙志勇副教授團(tuán)隊(duì)提出了基于捷變頻數(shù)字光頻梳的高空間分辨率快速BOTDA方案，通過(guò)將不同起始頻率的“稀疏”光頻梳作為探測(cè)光，依次掃描待測(cè)光纖的布里淵增益譜（BGS），在接收端進(jìn)行頻率相互交織形成“細(xì)密”測(cè)量光頻梳?？稍诓粻奚l率分辨率的情況下，提升系統(tǒng)空間分辨率。此外，引入了二次方相位編碼對(duì)數(shù)字光頻梳進(jìn)行相位調(diào)制以提高信噪比?；谒岢龅目臻g分辨率提升方案，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了10km光纖上系統(tǒng)的空間分辨率突破至5m，同時(shí)測(cè)量范圍達(dá)1GHz，頻率不確定性低于2MHz，且具有動(dòng)態(tài)測(cè)量能力。研究成果以“High spatial resolution fast BOTDA enabled by frequency-agility digital optical frequency comb”為題發(fā)表在Optics Letters期刊上。華中科技大學(xué)博士研究生何歡為論文的第一作者，趙志勇副教授為論文的通訊作者。

02研究背景

基于受激布里淵散射效應(yīng)（SBS）的BOTDA由于傳感距離長(zhǎng)、測(cè)量精度高和抗電磁干擾等優(yōu)勢(shì)，被廣泛用于建筑防護(hù)、管道監(jiān)測(cè)、火災(zāi)報(bào)警等諸多領(lǐng)域。依賴(lài)于對(duì)向傳播的探測(cè)光和泵浦光在待測(cè)光纖中引起SBS，傳統(tǒng)BOTDA通過(guò)掃描探測(cè)光的頻率來(lái)獲得BGS，從而解調(diào)出沿光纖鏈路的溫度或應(yīng)變信息。但是微波源的頻率切換速度較慢，導(dǎo)致掃頻操作非常耗時(shí)，極大地限制了傳感系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)速度。為了提升測(cè)量速度，多種動(dòng)態(tài)測(cè)量的實(shí)施方案被提出，主要包括斜坡輔助、數(shù)字光頻梳、捷變頻和光學(xué)啁啾鏈技術(shù)等。其中，基于數(shù)字光頻梳的BOTDA利用光頻梳的多個(gè)梳齒在頻域上進(jìn)行簡(jiǎn)單處理即可一次性地獲得整段光纖的分布式BGS，避免了時(shí)域上光功率抖動(dòng)引起的測(cè)量誤差，且測(cè)量范圍易擴(kuò)展，適用于大動(dòng)態(tài)范圍的快速測(cè)量。然而，受快速傅里葉變換限制，系統(tǒng)空間分辨率與頻率分辨率相矛盾，一般只能達(dá)到幾十米。針對(duì)這一問(wèn)題，多個(gè)課題組分別提出了多泵浦脈沖和脈沖編碼等解決方案來(lái)提升空間分辨率，但系統(tǒng)空間分辨率仍舊不低于10m，對(duì)實(shí)際應(yīng)用而言顯得有些力不從心。 因此，如何進(jìn)一步提升空間分辨率是亟待解決的重要問(wèn)題。本團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將數(shù)字光頻梳技術(shù)和捷變頻技術(shù)相融合，使得系統(tǒng)空間分辨率達(dá)到5m新紀(jì)錄，且系統(tǒng)傳感精度可靈活配置，為基于數(shù)字光頻梳的快速BOTDA提供了一種極具競(jìng)爭(zhēng)力的空間分辨率提升方案。

03創(chuàng)新研究

3.1 捷變頻數(shù)字光頻梳

何為捷變頻？即快速變化的頻率，在BOTDA中通過(guò)將掃頻波形加載至任意波形發(fā)生器從而替代微波源來(lái)實(shí)現(xiàn)快速頻率切換。何為數(shù)字光頻梳？即像梳子一樣具有多個(gè)頻率梳齒且間隔穩(wěn)定的的光信號(hào)，由數(shù)字信號(hào)通過(guò)光調(diào)制生成。與傳統(tǒng)BOTDA不同的是，基于數(shù)字光頻梳的BOTDA的空間分辨率并非由泵浦光的脈沖寬度決定，而是由作為探測(cè)光的光頻梳的幀長(zhǎng)度決定，但幀長(zhǎng)度與梳齒頻率間隔成反比。因此若要保持高空間分辨率，梳齒頻率間隔就要足夠大。本團(tuán)隊(duì)提出的捷變頻數(shù)字光頻梳技術(shù)將多個(gè)大頻率間隔的數(shù)字光頻梳依次作為探測(cè)光以保證系統(tǒng)具有高空間分辨率，在接收端相互交織形成更精細(xì)的頻率梳以補(bǔ)償系統(tǒng)的頻率分辨率，便可在不犧牲系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確度的情況下進(jìn)一步提升空間分辨率。 捷變頻數(shù)字光頻梳通過(guò)快速切換具有相同頻率間隔但不同起始頻率的數(shù)字光頻梳，依次加載到探測(cè)信號(hào)端，在待測(cè)光纖中與泵浦光發(fā)生SBS作用后，經(jīng)電域探測(cè)后在頻域上進(jìn)行頻率交織，從而增加測(cè)量BGS的頻率分量。關(guān)鍵問(wèn)題在于捷變頻數(shù)字光頻梳的電域探測(cè)，由于起始頻率不同，利用頻率固定的載波或本振光進(jìn)行相干拍頻的傳統(tǒng)做法并不可取。既然載波難以變化，那就只能“自帶”頻率相應(yīng)變化的本振光。通過(guò)插入一個(gè)可移動(dòng)的、功率更高的余弦信號(hào)作為每個(gè)光頻梳的本振光，經(jīng)電域探測(cè)后的拍頻信號(hào)都具有相同的頻率間隔和起始頻率，從而按照移頻順序?qū)崿F(xiàn)頻率交織。該方法無(wú)需改變系統(tǒng)的原有架構(gòu)，對(duì)數(shù)字光頻梳的基帶信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單預(yù)處理即可靈活配置系統(tǒng)傳感精度，為解決系統(tǒng)空間分辨率受限問(wèn)題提供了一種巧妙的新途徑。

圖1基于捷變頻數(shù)字光頻梳的BOTDA原理圖

圖源:Optics Letters (2022)

https://doi.org/10.1364/OL.458100 (Fig. 1)

3.2二次方相位調(diào)制

梳齒的相位分布直接影響著光頻梳的峰均功率比（PAPR），具有恒定或線性相位分布的光頻梳在時(shí)域上表現(xiàn)為高PAPR的極窄脈沖，會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的傳感精度。數(shù)字光頻梳的PAPR可以通過(guò)基帶信號(hào)的相位編碼來(lái)進(jìn)行調(diào)控。一種常見(jiàn)的編碼方法是采用均勻分布的隨機(jī)相位編碼，在梳齒數(shù)量足夠的情況下可降低峰值功率，但性能有限且難以找到最優(yōu)分布。為保障系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確度，本團(tuán)隊(duì)引入二次方相位編碼用于捷變頻數(shù)字光頻梳的相位調(diào)制以提高信噪比，即單個(gè)梳齒的相位正比于梳齒序號(hào)的平方，簡(jiǎn)單且有效地降低了探測(cè)光的PAPR。 如圖2(a)所示，探測(cè)光由具有50個(gè)梳齒和20MHz頻率間隔的5個(gè)不同數(shù)字光頻梳組成，光頻梳之間的初始頻率差為4MHz。盡管額外的本振項(xiàng)會(huì)影響PAPR，但二次方相位調(diào)制信號(hào)的PAPR仍比隨機(jī)相位調(diào)制信號(hào)低3dB，比線性相位調(diào)制信號(hào)低10dB。圖2(b)和圖2(c)分別顯示了具有隨機(jī)相位分布和二次方相位分布的接收信號(hào)功率譜。顯然，使用二次方相位編碼的數(shù)字光頻梳接收信號(hào)功率更高、更平坦，為提升系統(tǒng)測(cè)量精度提供了一種簡(jiǎn)便的新方法。

圖2信號(hào)功率譜:(a)探測(cè)光基帶信號(hào) (b)隨機(jī)相位編碼的接收信號(hào) (c)二次方相位編碼的接收信號(hào)

圖源:Optics Letters (2022)

https://doi.org/10.1364/OL.458100 (Fig. 2)

3.3高空間分辨率快速BOTDA

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示，采用上述5個(gè)不同數(shù)字光頻梳的探測(cè)光配置，對(duì)應(yīng)5m空間分辨率和4MHz頻率分辨率。通過(guò)調(diào)整泵浦脈沖的時(shí)延，不同的數(shù)字光頻梳在10km單模光纖中經(jīng)SBS作用后，在BGS帶寬內(nèi)獲得不同程度的增益，由直接探測(cè)得到拍頻信號(hào)并進(jìn)行解調(diào)。經(jīng)時(shí)鐘同步后，每個(gè)頻率梳的振幅和相位信息由快速傅里葉變換獲得。然后，接收到的各頻率梳根據(jù)移頻順序進(jìn)行相互交織，以重建頻率間隔更小的精細(xì)頻率梳，利用無(wú)增益的信號(hào)作為背景噪聲，通過(guò)信道估計(jì)即可提取出BGS和布里淵相移譜（BPS），最后擬合計(jì)算得到沿光纖鏈路的BFS分布。

圖3基于捷變頻數(shù)字光頻梳的BOTDA系統(tǒng)圖

圖源: Optics Letters (2022)

https://doi.org/10.1364/OL.458100 (Fig. 3)

系統(tǒng)的單次測(cè)量時(shí)間為25ms，單個(gè)傳感點(diǎn)的BGS和BPS測(cè)量結(jié)果如圖4所示，洛倫茲擬合曲線的3dB帶寬約為35MHz。單個(gè)大頻率間隔的數(shù)字光頻梳只能獲取少量增益信息，但頻率交織使得頻率間隔縮小到4MHz，方可得到精確的測(cè)量結(jié)果。得益于二次方相位調(diào)制，系統(tǒng)沿光纖鏈路的BFS不確定性始終低于2MHz。

圖4(a)測(cè)量BGS及擬合結(jié)果 (b)測(cè)量BPS及擬合結(jié)果

圖源: Optics Letters (2022)

https://doi.org/10.1364/OL.458100 (Fig. 4)

為測(cè)試系統(tǒng)的傳感性能，在光纖遠(yuǎn)端設(shè)置一個(gè)5m的加熱點(diǎn)。溫度測(cè)量結(jié)果如圖5(a)所示，可以看出系統(tǒng)對(duì)溫度變化具有良好的線性響應(yīng)，最大測(cè)量誤差約為0.6℃。此外，將兩段相鄰的5米光纖依次作為加熱點(diǎn)，圖5(b)表明系統(tǒng)可準(zhǔn)確識(shí)別相鄰加熱點(diǎn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)具有5米的空間分辨率。

圖5(a)溫度測(cè)量結(jié)果，(b)相鄰加熱點(diǎn)的BFS分布

圖源: Optics Letters (2022)

https://doi.org/10.1364/OL.458100 (Fig. 6)

最后，為驗(yàn)證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測(cè)量能力，使用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器（PZT）進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試。測(cè)量結(jié)果如圖6所示，表明系統(tǒng)具有大測(cè)量范圍且采樣速率達(dá)40Hz。可以結(jié)合偏振復(fù)用和相干檢測(cè)等技術(shù)，進(jìn)一步提升系統(tǒng)采樣速率。

圖6(a)沿光纖鏈路的BGS分布 (b)10Hz方波測(cè)量結(jié)果

圖源: Optics Letters (2022)

https://doi.org/10.1364/OL.458100 (Fig. 7)

04應(yīng)用與展望

本團(tuán)隊(duì)提出了一種基于捷變數(shù)字光頻梳的高分辨率快速BOTDA，在保持良好測(cè)量精確度下有效規(guī)避了空間分辨率受限的技術(shù)瓶頸，同時(shí)引入二次方相位編碼優(yōu)化了探測(cè)光的PAPR。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)在10km光纖上具有5m空間分辨率和40Hz采樣速率。若想進(jìn)一步提升空間分辨率，可以使用更多的捷變頻數(shù)字光頻梳，但會(huì)以增加測(cè)量時(shí)間為代價(jià)。系統(tǒng)傳感精度可針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行靈活配置，在未來(lái)大動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)傳感方面具有重要研究意義和廣闊應(yīng)用前景。

審核編輯 ：李倩