上海交大樊昕昱、何祖源课题组在分布式光纤传感技术取得重要进展

　　

近日，电子信息与电气工程学院电子工程系智能光子学研究中心（CIP）樊昕昱教授、何祖源教授课题组联合西南交通大学闫连山教授，在同一套光纤传感系统中结合光纤的多种散射机制提出了单端接入的多机理融合分布式光纤传感系统。该项工作首次在一套系统中结合了光纤瑞利、布里渊、拉曼三种不同的散射机理，打破了传统分布式光纤传感系统利用单一散射机制测量单一变量的限制，实现了多参量的长距离同时传感，以及应变温度参量的完全分离，拓展了分布式光纤传感系统的应用场景。相关成果以“Single-end hybrid Rayleigh Brillouin and Raman distributed fibre-optic sensing system”（单端瑞利-布里渊-拉曼联合分布式光纤传感系统）为题发表于国际著名光学期刊《Light: Advanced Manufacturing》。上海交通大学为该研究的第一完成单位，博士研究生黄麟景为第一作者，樊昕昱教授为通讯作者。

研究背景

在物联网网络构架中，最底层的感知层由各种各样的传感器组成，主要负责外界信息采集。相比于传统的电传感器，光纤传感器具有不可替代的优势。光纤传感器体积小，抗电磁干扰，寿命长，不易进水和被腐蚀；成本低，布线简单，损耗极低，因此支持长距离、大规模传感；光对光纤所处环境的变化测量灵敏度高、动态范围大。因此，光纤传感器在航空航天、生物传感、电力电网、建筑监测等众多领域都得到了广泛应用。

分布式光纤传感器是基于光纤中的背向散射效应和分布式定位技术，来实现沿待测光纤全分布式的传感。现有的系统一般只针对光纤所处环境的某一种参量进行测量，而在针对光纤传感的监测对象进行多方面同时监测的应用中，则需要架设多套独立的光纤传感系统。显然，这增加了工程的复杂度和成本。

创新成果

为解决上述问题，樊昕昱教授、何祖源教授团队联合闫连山教授提出了多机理融合的分布式光纤传感技术。这项技术在一套分布式光纤传感系统中结合多种传感机理，实现了多种参量的同时测量。这种方式极大提高了待测结构设施的多参量测量效率，降低系统应用成本，且便于铺设安装。相比于利用特种光纤以及分立式光纤传感元件进行传感的多参量测量系统，多机理融合的分布式传感系统可以基于普通的通信用单模光纤实现多参量的测量，大大降低了传感器的成本。

多机理融合的分布式光纤传感系统原理示意图

该团队设计的一套分布式传感系统，在同一传感光纤上结合了瑞利散射、受激布里渊散射和自发拉曼散射现象实现了沿光纤的振动、温度和应变的同时传感并定量测量。该系统在一次探测中将两个相邻光脉冲打入光纤，利用前一个脉冲的瑞利散射光实现振动测量，同时和后一个脉冲组成温度/应变测量系统的探测光和泵浦脉冲，发生受激布里渊散射。结合脉冲编码调整两脉冲之间的时间间隔，在时域上区分两脉冲的自发拉曼散射光用于温度测量，解决了受激布里渊散射传感中温度应变交叉敏感的问题。

该系统不同于三种测量系统的简单拼凑，而是使用同一光源，并仅通过接收一个脉冲的瑞利散射光实现振动、温度和应变的同时传感，通过接收拉曼散射光实现温度的传感。这项技术以精简的系统实现多参量的同时测量，提升了测量反馈速度，采用单端测量方式降低系统复杂度，并实现了9千米测量距离下，定位精度小于10米、振动噪底10pε/√Hz、布里渊频移测量精度0.58MHz、温度测量精度0.5℃的测量指标，实现了应变温度参量的完全分离。

多机理融合的分布式光纤传感系统拓展了分布式光纤传感的应用场景，得益于其极大的传感规模和优秀的传感性能，同时系统成本远低于传统传感器网络，多机理融合的分布式光纤传感技术在大规模传感领域如大型设备监测、油气管道监测、轨道交通监测、建筑结构监测等领域具有广阔的应用前景。

论文信息

论文完成人：黄麟景（上海交通大学博士研究生）、樊昕昱（上海交通大学教授）、何海军（西南交通大学副教授）、闫连山（西南交通大学教授）、何祖源（上海交通大学教授）

从左到右：黄麟景、樊昕昱、何祖源

论文链接：https://www.light-am.com/article/doi/10.37188/lam.2023.016

期刊信息：《Light: Advanced Manufacturing》是领军期刊Light的首本衍生子刊，于2020年4月正式创刊，定位为工程制造类高水平期刊。

作者：

电子信息与电气工程学院

供稿单位：

电子信息与电气工程学院