高空间分辨率光反射仪
【上海交通大学何祖源教授课题组】


        光纤相对于传统媒介具有成本低、体积小、重量轻、抗腐蚀、抗电磁干扰等优势,因此光纤传感器成为了一种非常重要的智能监测手段,在很多战略领域有着重要应用。分布式光纤传感器因其便于铺设、特别适合于分布式以及多点式网络化应用等特点,已经被用于桥梁、飞机和输油管道等大型关键性基础设施的连续监测。经过40余年的发展,目前分布式光纤传感技术在探测范围、灵敏度和空间分辨率等性能指标上已经取得了长足进步。作为分布式光纤传感器核心技术,光反射仪能够对光纤进行非破坏性检测。通常通过测试光纤中瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射等背向散射信号,获取沿光纤长度的反射率、折射率和偏振态等分布信息来判断光纤链路各类异常“事件”,例如光纤链路中熔接点、弯曲、断裂、腐蚀等影响光信号传输的缺陷。由于接收系统带宽和激光光源相干性的相互制约,光反射仪的探测距离和空间分辨率(传感点数)受到了极大的限制。
        上海交通大学何祖源教授研究团队致力于超高空间分辨率光反射仪的研究。他们在研究中发现,光反射仪的空间分辨率和探测距离主要受限于光源和光纤的相位噪声、光纤色散以及接收系统的探测带宽等因素的共同作用。光频域反射仪(OFDR)能够通过产生线性扫频光源来实现超高空间分辨率探测,而且这种技术能够大幅度地压缩接收带宽,但是较长的扫频时间也会严重积累相位噪声,并且大范围高线性度的扫频光源也难以产生。针对这个问题,他们研究出了大范围高线性度扫频光源和激光器相位补偿技术。研究人员利用电光调制器的非线性效应和四波混频效应,对电扫频信号实现了32倍频,产生了100 GHz范围的扫频光源,扫频线性度优于300 kHz。随后,他们采用激光器相位噪声补偿技术,实现了1 mm的空间分辨率。另一方面,该团队在研究中发现减少扫频时间可以大幅度地降低噪声积累,也可以达到相位噪声抑制的目的。针对短探测脉冲光反射仪方案的接收带宽限制了空间分辨率这个问题,他们提出了结合光采样技术的光反射仪技术,分别把光时域反射仪(OTDR)和脉冲压缩光反射仪的空间分辨率提高到了340 μm和120 μm。

 
图1  高阶边带调制光倍频技术

 
图2  结合光采样技术的超高空间分辨率光反射仪

研究团队简介
        上海交通大学智能光子学研究中心团队目前共有六位教师以及四十多位在读硕士博士研究生。六位教师分别为何祖源讲席教授、樊昕昱研究员、刘庆文特别研究员、马麟副研究员、杜江兵副研究员,以及张文甲副教授。团队近年来在光传感与光互连领域开展前沿研究,攻克了光传感与光互连技术在实用化中遇到的可靠性、一致性等难题,将光传感与光互连技术广泛应用于通信、传感、军事、航天、油气等支柱产业,为科研和工业生产提供了强有力的工具。目前团队主持国家重点研发计划、国家自然科学基金委仪器专项、重点国际合作项目、上海市科委科技创新行动计划项目、千万元以上大型横向项目等各级各类科研项目。

相关论文
汪帅, 王彬, 刘庆文, 等. 超高空间分辨率光反射仪关键技术进展[J]. 光电工程, 2018, 45(9): 170669.
DOI: 10.12086/oee.2018.170669