高性能分布式布里渊光纤传感及其应用
【哈尔滨工业大学董永康教授课题组】


        近年来,我国正处在土木工程和基础设施建设的高峰期,许多世界瞩目的重大工程和基础设施已经建成或正在规划建设中,如港珠澳大桥,海南海底光缆项目、京沪高铁工程和秦岭隧道等。而重大工程和基础设施的安全性和耐久性问题一直是社会关注的焦点。我国是世界上地质灾害多发国家之一,而且地质灾害种类多、面积广、活动频率高、危害程度大,因此在重大工程和基础设施上应用有效的结构健康监测和诊断技术显得尤为重要。光纤传感技术具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀和便于布设等诸多优点,尤其是分布式光纤传感仪,能够实现超长距离上的连续测量,监测测点可达百万个,具有传统点式传感器不可比拟的优势。布里渊光时域分析仪(BOTDA)是一种分布式光纤传感仪的典型方案,它能够实现厘米量级的空间分辨率、百公里量级的传感距离和千赫兹的系统采样率。高性能的BOTDA解调仪为结构健康监测等领域提供了一种行之有效的分布式温度和应变等参数的高速测量方案。
        哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室董永康教授科研团队主要从事分布式光纤传感的基础研究,多年来致力于研究BOTDA系统。近期,该团队提出一种基于光学啁啾链调制技术的超快分布式布里渊光纤传感技术。实验原理如图1所示,图1(a)为时域分布图,泵浦光调制为单发脉冲光,探测光调制为光学啁啾链,它由多个较短的光学啁啾段首尾串联而成。这样,在传感光纤(FUT)中,单发泵浦脉冲光同各个光学啁啾链段依次发生相互作用。当探测光的啁啾量覆盖光纤的布里渊频移(如图1(b)所示)时,由于受激布里渊散射(SBS)作用,传感光纤的分布式布里渊增益谱就会在对应的光学啁啾段内展现出来。理论上,该系统可以通过调节啁啾量来改变动态测量范围;在非平均模式下,该系统采样率只受限于光纤长度。

 
图1 基于光学啁啾链技术的超快分布式布里渊光纤传感原理

图2是利用该BOTDA系统记录下了一组超快的敲击过程。图2(a)为敲击位置的布里渊增益谱随时间的演进图,图2(b)为解调后光纤应变随时间变化曲线(绿色线),和30点移动平均次结果(红色线)。从图中可以看出,利用2.5 MHz的系统采样率,一个持续时间为250 μs的敲击过程被完整地记录下来了。该系统的动态采样率接近理论极限,在短距离的传感中,系统的动态采样率可达到兆赫兹量级,能够对爆炸、化学反应等一些快速事件进行数据采集和监测。该研究成果已发表在《Nature》子刊《Light: Science and Applications》上。


图2 超快敲击过程的记录结果。(a) 敲击位置布里渊增益谱的演进图;(b) 解调的应变随时间变化的曲线

研究团队简介
哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室董永康教授科研团队主要从事分布式光纤传感的基础研究、技术研发和工程应用,取得了一系列具有创新性的研究成果,并成功应用到多项国家重大专项和工程中。该团队在《Nature》子刊《Light: Science and Applications》、《Opitcs Letters》、《Optics Express》等国际权威期刊发表SCI论文60余篇,SCI他引600余次,获美国发明专利1项,国家发明专利10余项,获得黑龙江省自然科学一等奖,陕西省科技进步一等奖和首届“中国光学工程学会科技创新奖”。董永康教授作为项目负责人主持国家重大科学仪器设备专项“分布式光纤应变监测仪”(2017年立项,总经费4100万)、国家自然科学基金等项目10余项。研发多个系列的分布式布里渊光纤传感解调仪,其中“高性能分布式布里渊光纤温度和应变分析仪”综合指标居于国际领先水平。

相关论文
王本章, 逄超, 周登望, 等. 长距离分布式布里渊光纤传感关键技术进展分析[J]. 光电工程, 2018, 45(9): 170484.
DOI:10.12086/oee.2018.170484