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研究进展

光学快车

南方科技大学光电传感实验室在“分布式低频振动量化解调”领域取得研究进展

关键词丨#分布式传感技术#相敏光时域反射计（Φ-OTDR）#相移干扰相位提取#低频振动检测

作者简介丨南方科技大学张敬明（香港理工大学联合培养博士生）、刘帅奇（论文第一作者，澳门大学联合培养博士生）、邵立阳（南方科技大学研究员，通讯作者）作者）

指导

近年来，相敏光时域反射计（Φ-OTDR）在分布式振动传感领域得到广泛应用光纤光谱仪 工作原理，其基于光相位解调方法可以准确定位振动位置并定量还原振动波形。 地震、水声探测等新兴应用领域对Φ-OTDR在低频段（0.1-10Hz）的解调性能提出了更高的要求。

近日，南方科技大学光电敏感实验室在光学快报发表了题为“Quantitative demodulation of distributed low-frequency vibration based on phase-shifted dual-pulse phase-sensitive OTDR with direct detection”的报告，并设计了一种A基于相移双脉冲检测的Φ-OTDR系统，利用直接检测实现低频振动波形的定量解调，提出了一种基于声光调制器的同步脉冲强度和相位调制方法，降低了系统成本。 硬件复杂性。 在实验中，该文章成功恢复了频率低至 0.5 Hz 的振动，空间分辨率为 10 m光纤光谱仪 工作原理，信噪比为 35 dB。 该方法以简单的光路结构和高效的解调算法，实现了振动波形定量重构的目的，具有良好的应用前景。 南科大邵立阳教授为论文第一通讯作者，南科大与澳门大学联合培养博士生刘帅奇为第一作者，澳门大学沉平讲座教授和魏梦宇副教授为论文第一作者。作者。

封面图片：基于相移双脉冲的Φ-OTDR系统

来源：光学快报（2022）

(图4)

研究背景

在Φ-OTDR系统中，通过解调瑞利后向散射信号的相位信息，可以实现振动事件波形的定量还原。 目前主要的相位解调方法有引入本振光的外差/零差相干检测法和不需要本振光的背瑞利散射自相干检测法。 其中，前者由于本振光的存在，信号强度高，解调算法简单，但本振光与传感光纤远端返回的散射信号之间存在较大的时延，导致激光源相位噪声严重干扰，影响Φ-OTDR对低频振动的传感性能。 对于后者，主要的实现方案有基于双脉冲检测的Φ-OTDR系统，以及接收端结合非平衡干涉仪的瑞利散射自相干检测方案。 在这两种方案中，干涉光的光程差都是固定的（由两个脉冲之间的时间间隔决定，或者是不平衡干涉仪两臂之间的光程差），远小于基于局部的相干光。振荡器。 检测系统，因此可以大大降低激光源噪声的影响。但是，目前的报道中，瑞利散射自相干信号的相位解调方法相对复杂，如相位生成载波、差分和交叉乘法等方案

创新研究

01

基于声光调制的相移脉冲产生

在此前报道的基于相位分集的Φ-OTDR系统中，检测脉冲的相位调制主要通过在发射端增加一个相位调制器来实现，增加了系统的复杂度和成本。 这项工作提出了一种使用声光调制器 (AOM) 对探测脉冲进行同步强度调制和相移调制的方法，无需引入额外的硬件。

图 1(a) 说明了 AOM 的基本工作原理。 通过改变驱动AOM的射频信号的幅度，可以调制入射激光的光强； 通过调制射频信号的初始相位，可以实现入射激光的相移。 基于这种方法，可以使用单个 AOM 同时实现探测脉冲的产生和相移。 使用图1（b）所示的干涉结构验证了上述想法。 将如图1(c)所示的两组射频双脉冲信号加载到AOM上，这两组双脉冲的初始相位分别为(0,0)和(0,π)； 对应的两组激光脉冲拍频信号如图1(d)所示，两组激光双脉冲的初始相位差也分别为0和π，证明了该方法的有效性。

图 1：(a) AOM 的工作原理。 (b) 验证方法可行性的光路。 (c) 两组射频双脉冲信号的波形。 (d) 对应的两组激光双脉冲拍频信号波形

来源：光学快报（2022）

(图3)

02

基于移相双脉冲的Φ-OTDR相位解调原理

基于上述移相双脉冲产生方法，相应的瑞利散射自相干检测信号应表示为：

解调法计算过程简单，可以抑制系统的随机噪声，但对系统的动态响应范围有负面影响。 有关详细信息，请参阅本文讨论部分中的讨论。

实验中采用5.1km传感光纤，脉冲重复频率为16kHz，脉冲宽度为100纳秒，两个脉冲之间的时间间隔为100纳秒。 使用带宽为10MHz的PD进行检测，以100MHz的采样率完成数据采集。 在距光纤约5公里处，一段1米长的光纤缠绕在压电陶瓷管上，模拟外界振动事件。 首先加载一个频率为20Hz的正弦振动信号，对应的差分相位空频域解调结果如图2(b)所示，以及差分相位谱的20Hz分量幅值的计算结果沿传感光纤的振动如图 2(c) 所示，显示系统的振动定位空间分辨率约为 10 m，与系统的 100 纳秒双脉冲间隔相呼应。

图 2：(a) 差分相位解调结果的空频域图。 (b) 差分相位信号频谱的20Hz频率分量沿光纤的幅度分布

来源：光学快报（2022）

(图5)

图3给出了扰动频率分别为0.5Hz、1Hz、5Hz和20Hz时的差分相位解调结果和功率谱密度，证明该方法可以定量还原光纤沿线的扰动波形。

图 3：频率为 (a) 0.5 Hz、(b) 1 Hz、(c) 5 Hz 和 (d) 20 Hz 的外部振动的差分相位解调结果。 (e)-(h) 解调后的差分相位波形对应的功率谱密度（PSD）

来源：光学快报（2022）

(图6)

图4为PZT驱动电压与解调差分相位幅值的线性拟合结果。 四个实验的 PZT 驱动信号频率分别为 0.5Hz（红色）、1Hz（蓝色）、5Hz（橙色）和 20Hz（绿色），峰峰值电压从 1 伏增加到 10 伏。 四组实验线性拟合结果的R2值分别为0.9966、0.9987、0.9997和0.9995，斜率基本一致（约3rad/V），证明本文方法具有良好的定量解调效果外部振动的结果 线性响应和可重复性。

图 4：PZT 驱动电压和微分相位幅度之间的线性拟合结果

来源：光学快报（2022）

(图7)

应用与前景

本工作提出了一种相对简单的双脉冲 Φ-OTDR 相位解调方法。 移相双脉冲由声光调制器直接产生，节省硬件成本； 采用相移干涉法提取瑞利散射信号的微分相位，进一步降低了系统硬件和算法的复杂度。 与传统的相干检测Φ-OTDR方案相比，双脉冲方案对激光频率漂移引起的相位噪声不敏感，在低频段振动传感方面具有一定优势。 因此，该工作在地震勘探、地质勘探、水声探测等大规模商业应用中具有良好的应用前景。

关于作者

刘帅奇（第一作者）

博士生

刘帅奇，南方科技大学与澳门大学联合培养博士生，毕业于南京大学光电信息科学与工程专业，获学士学位。 主要从事基于瑞利散射的分布式光纤传感技术研究，迄今已发表SCI论文3篇。

邵立阳（通讯作者）

研究员

邵立阳，博士，南方科技大学创新创业学院副院长，电子与电气工程系研究员，博士生导师。 IEEE/OSA高级会员，SPIE终身会员，中国光学学会高级会员，光学测试专委会/光纤与集成光学专委会委员，科技部重大仪器专项，国家自然科学基金委广东省科学技术厅、深圳市科技创新委员会等单位评审专家。 荣获2012年澳大利亚教育部“奋斗学者奖”、2014年“四川省高层次人才引进”、2015年“国家杰出青年专家”、2016年“詹天佑铁道科学技术奖青年奖”、2017年四川省“杰出人才”贡献专家”，2019年“深圳市高层次引进人才”，2020年“中国产学研促进奖”。 入选美国斯坦福大学发布的“全球前2%顶尖科学家”榜单，包括2019年和2020年“终身科学影响力排行榜”和“年度科学影响力排行榜”。

主要研究方向为分布式光纤传感技术与工程应用、光纤激光器及其传感应用、微纳光学及其医学应用、智慧海洋综合感知与系统装备等。目前已发表学术论文200余篇。在主要国际期刊和会议上发表，其中SCI论文142篇（第一作者和通讯作者71篇），包括Nat.Comm.Light Sci. 应用程序激光光子。 启..进阶。 电子。 Mater.NanoscaleBiosen。 and Bioelectron等8篇论文，总引用/其他引用5098/3500，H因子39； 受邀在IEEE ICCT、CLEO-PR、APOS等撰写综述文章4篇。在重要国际会议上作主题演讲2次，特邀报告近20篇，并担任TPC Chair/Organizing Committee of international会议20余次； 授权发明专利10余项。

沉平（作者）

讲座教授

沉平，南方科技大学电子与电气工程系讲座教授。 国际光学工程学会SPIE会士，美国光学会OSA会士，国家高层次人才。 2002年至2019年先后担任新加坡南洋理工大学网络技术研究中心主任、光电研究中心主任、光纤技术研究中心主任、教学院长。 研究领域包括特种光纤、硅光子芯片、光电智能传感技术、激光技术、太赫兹技术及应用、生物医学光子学等。 发表论文千余篇。 曾担任2017年第十二届亚太激光与光电峰会、第二十二届光电通信峰会、第五届全球光电子大会联席会议（CLEO-PR|OECC|PGC 2017）等大型国际会议主席。 他还是全球光子会议PGC、光通信与网络国际会议ICOCN、先进信息与通信技术国际会议ICAIT等国际会议的发起人。

魏梦雨（作者）

副教授

魏梦宇，澳门大学科技学院电机与计算机工程系副教授，生物医学工程实验室主任，模拟与混合信号国家重点实验室生物医学集成电路研究组组长超大规模集成电路，中国生物医学工程学会理事，澳门生物医学工程学会理事长。 主要从事生物医学工程和嵌入式系统研究； 目前在研项目包括“人体通信”、“光遗传学”和“电容式微超声换能器”等，近年发表学术论文近百篇，其中SCIE收录50余篇，论文被引用超过1500次。

南方科技大学光电智能传感实验室

南方科技大学光电智能实验室由邵立阳教授、沉平讲席教授等业内知名学者共建。

实验室目前拥有光纤研磨抛光系统、光纤周界安防系统、光纤拉尖系统和飞秒激光加工系统。 常用的采购设备有台式电子扫描显微镜、尼康高分辨金相显微镜、飞秒激光器、小型离子溅射仪、光纤熔接机、保偏光纤熔接机、光纤光栅解调器、光时域反射仪、高性能示波器、电化学工作站、白光激光源、紫外-可见光谱仪、光纤光谱仪、高精度电动位移台、3D打印机、折射仪和温度控制器、光电强度调制器、光电相位调制器、高速宽带PD、CL波段单频可调激光和压电控制三维纳米位移平台等，并配备高性能计算服务器和COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件。

此外，南方科技大学微纳加工与分析测试中心、皮米中心、前沿与交叉研究所、量子科学与工程研究所、格拉布斯研究所（诺奖实验室）、低温电镜中心、等拥有一流的检测仪器和表征平台，课题组全力支持博士后使用学校的公共仪器和平台。

实验室致力于开发分布式光纤传感技术及工程应用、光纤激光器及其传感应用、微纳光学及其医疗应用、智慧海洋综合感知及系统装备等。

文章信息：

刘帅奇、邵立阳、余飞红、徐伟杰、Mang I. Vai、肖东瑞、林伟豪、胡杰、赵方、王国庆、王伟志、刘欢欢、岑佩里和王峰，”基于带直接检测的相移双脉冲相敏 OTDR 的分布式低频振动的定量解调，”选项。 快递 30, 10096-10109 (2022)

论文地址：

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来源丨光电智能传感实验室

排版丨行政团队

什么时候 | 2022 年 4 月

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