前沿 | 散射增强光纤，巡天探地听海皆可期- 大数跨境

两江科技评论

2022-11-17

导读：华中科技大学孙琪真教授特邀综述：基于散射增强光纤的分布式声波传感研究进展

华中科技大学孙琪真教授课题组在《激光与光电子学进展》发表题为“基于散射增强光纤的分布式声波传感研究进展”的特邀封面文章。论述了光纤分布式声波传感技术的传感原理，分析了单模光纤的衰落机理和性能瓶颈。对此，分别介绍了多种散射增强光纤的增效机理与声波传感性能，以及其近年来的技术与应用进展。

封面解读

封面展示了微结构光纤的广泛应用，从天空中延伸到海中，意为其可以听风、听地、听海，上可九天揽月，下可五洋捉鳖。光通过透镜聚焦到光纤上则形象化地展示了微结构光纤的制备过程。

文章链接：孙琪真, 李豪, 范存政, 贺韬, 闫宝强, 陈俊峰, 肖翔鹏, 闫志君. 基于散射增强光纤的分布式声波传感研究进展[J]. 激光与光电子学进展, 2022, 59(21): 2100001

新利器为何而来？

获取介质内部结构和属性是人类认识自然和探索世界的重要方式。声波传感技术借助声波场携带的丰富的介质信息，可帮助认识和分析介质内部的属性，已被广泛应用于不同尺度的物质属性分析中，如地质结构探测、资源勘探、结构健康监测和周界安防等领域。

分布式声波传感（DAS）技术是一种利用光纤瑞利后向散射光信息实现光纤沿线声波探测的新技术，具有抗电磁干扰、体积小重量轻、耐恶劣环境、灵敏度高等优点。

但是常见的DAS系统通常采用普通单模光纤作为传感光纤，其存在相位信号信噪比较差、易形成“死区”、时间一致性较差等问题，难以满足分析介质内部属性时高保真追踪声波传输过程的要求。而微结构散射光纤具有散射增强和衰落抑制的特性，可解决普通单模光纤在DAS中的诸多问题，进一步提高DAS的可靠性。

单模光纤的局限性

在实际应用中，系统发射的探测光为一定的脉宽的脉冲，脉宽内的不同散射点的瑞利散射光信号具有相干性。这使得接收端的信号为光纤瑞利散射信号之间的干涉结果。然而，由于光纤制备时的不均匀掺杂，瑞利散射的干涉现象具有一定的随机性，因此会产生干涉相长和干涉相消。当干涉相消到一定程度，信噪比急剧恶化，干涉信号便无法探测，单模光纤DAS会在此处光纤产生探测盲区，这种现象被称为“干涉衰落”。

此外，脉冲间干涉也会导致等效散射位置的不稳定，这一不稳定性也会表征到最终恢复的相位中，导致解调信号的时间一致性降低。正是由于普通单模光纤瑞利散射的强度和位置均存在随机性，导致了DAS存在干涉衰落、信号时间一致性差的问题，难以满足分析介质内部属性时高保真追踪声波的需求。

图1 干涉衰落示意图

离散散射增强光纤有何优势？

在散射增强光纤中，离散散射增强光纤在DAS上的应用更被研究人员看好。这种光纤如图2所示，其本质为每隔一段距离对等效散射点的散射强度进行增强，这种散射增强点（Scattering enhancement point，SEP）的强度远远大于普通的等效散射点，这样一来，包含散射增强点的瑞利散射干涉光可表示为

其中第k个等效散射点为散射增强点。当散射增强点的散射强度远大于普通等效散射点时，公式前一项可以忽略，这说明瑞利散射信号仅由散射增强点决定，意味着离散散射增强克服了单模光纤瑞利散射强度和位置的随机性，从而从根本上消除了干涉衰落和信号一致性差的问题，可以准确地得到两个散射增强点之间的相位差，获得高稳定性、高信噪比的声波信息。

图2 离散散射增强光纤示意图

离散散射增强光纤制备的方法

目前离散散射增强光纤的实现方式主要分为两类，一种是通过在光纤中引入周期性的超弱布拉格光栅（UWFBG）阵列实现离散散射增强，另一种是在光纤中引入局部无色弱反射阵列实现离散散射增强。相比于UWFBG反射特定波长光信号，无色反射点的微结构光纤具有更强的普适性。

华中科技大学孙琪真教授课题组通过无掩模版或大啁啾掩模版紫外光直接曝光方式，在透明涂层成品光纤中引入局部折射率改变，形成可覆盖C波段的无色散射增强。在环境温度发生变化时，微结构的散射强度仍然极为稳定。相比于UWFBG刻写时使用相位掩模板等途径引入的波长选择性，该光纤避免了温度和应变带来的影响。

图3 基于紫外曝光的微结构阵列制备方法。(a)(b)自动化微结构制备系统。(c)微结构阵列的OTDR测量结果。(d)无色微结构阵列的光谱。(e)无色微结构阵列的温度稳定性。

散射增强光纤DAS的研究与应用

近年来，人们把更多的关注放在利用离散散射增强光纤的优势对DAS方案针对性地改进。如图4所示，分别从低频相位漂移补偿、偏振衰落抑制、脉冲宽度压缩、系统响应带宽扩展等多个维度对DAS的系统性能进行了提升和改进，这使得DAS具有了更低的噪声、更高的分辨率和探测频率。

随着基于微结构散射增强光纤DAS系统的不断完善与发展，研究者们已开展了其在多个工程领域的应用探索，包括地质和资源勘探、结构健康监测和水下探测等等，其中结构健康检测包括管道、铁轨和隧道等结构的监测等等。

图4 散射增强光纤DAS研究进展。(a) 低频相位漂移补偿方案；(b)偏振衰落抑制方案；(c) 系统响应带宽提升方案；(d) 脉冲宽度压缩方案

路在何方？

光纤DAS技术具有高灵敏、全分布的优势，在国内外研究者们的共同努力下，已经逐渐迈向实用化。然而，传统单模光纤DAS系统存在传感信噪比较差、相干衰落导致传感盲区、多个传感通道间的测量一致性较差等问题。基于散射增强特种光纤的DAS系统则可有效解决上述问题。已经在资源勘探、结构健康监测、分布式水听器等多个领域展示出极大的应用潜力。

展望未来，基于散射增强光纤的DAS技术仍可以从诸多方面进行提升与应用拓展，如散射增强光纤的材料参数优化与制备工艺改进、光纤散射特性辅以机器学习算法以优化相位解调精度、智能管线综合监测与光纤分布式水听器的全面应用推广。相信未来随着机理研究和工艺技术的进一步发展，基于散射增强光纤的分布式声波传感系统将会获得更深入的科学研究和更广泛的应用拓展。

课题组介绍

华中科技大学光学与电子信息学院孙琪真教授团队主要从事微结构光纤器件、传感技术及应用研究。主持科技部重点研发专项（首席科学家）/课题、国家自然科学基金区域联合创新重点/优秀青年科学基金/面上项目、科技部重大科学仪器专项任务等项目。近年来在Energy & Environmental Science, Advanced Science, Optica, Opto-Electronic Advances, Advanced Fiber Materials等高水平期刊上发表SCI论文120余篇，出版4本学术专著的独立章节；拥有42项授权发明专利，3项软件著作权，其中光纤声波传感专利技术以实施许可方式转化；研究成果在多个领域推广应用，获得中国通信学会技术发明一等奖、中国光学工程学会创新产品一等奖及日内瓦国际发明展金奖等。

2. 播光 | 分布式光纤声波传感技术

3. 我国光纤传感技术的发展历程

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