▍本文由論文作者團(tuán)隊（課題組）投稿

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是近年來的熱門話題。在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架中，最底層的感知層由各種各樣的傳感器組成，主要負(fù)責(zé)外界信息采集。相比于傳統(tǒng)的電傳感器，光纖傳感器具有其不可替代的優(yōu)勢。光纖傳感器體積小，抗電磁干擾，壽命長，不易進(jìn)水和被腐蝕；成本低，布線簡單，損耗極低，因此支持長距離、大規(guī)模傳感；光對光纖所處環(huán)境的變化測量靈敏度高、動態(tài)范圍大。因此，光纖傳感器在眾多領(lǐng)域如航空航天、生物傳感、電力電網(wǎng)、建筑監(jiān)測等得到了廣泛的應(yīng)用。

分布式光纖傳感器是基于光纖中的背向散射效應(yīng)和分布式定位技術(shù)，來實現(xiàn)沿待測光纖全分布式的傳感。現(xiàn)有的系統(tǒng)一般只針對光纖所處環(huán)境的某一種參量進(jìn)行測量。而在針對光纖傳感的監(jiān)測對象進(jìn)行多方面同時監(jiān)測的應(yīng)用中，則需要架設(shè)多套獨立的光纖傳感系統(tǒng)。顯然，這增加了工程的復(fù)雜度和成本。

為了解決這一問題，上海交通大學(xué)樊昕昱、何祖源團(tuán)隊聯(lián)合西南交通大學(xué)閆連山團(tuán)隊提出了多機(jī)理融合的分布式光纖傳感技術(shù)。

這項技術(shù)在一套分布式光纖傳感系統(tǒng)中結(jié)合多種傳感機(jī)理，實現(xiàn)了多種參量的同時測量。這種方式極大提高了待測結(jié)構(gòu)設(shè)施的多參量測量效率，降低系統(tǒng)應(yīng)用成本，且便于鋪設(shè)安裝。相比于利用特種光纖以及分立式光纖傳感元件進(jìn)行傳感的多參量測量系統(tǒng)，多機(jī)理融合的分布式傳感系統(tǒng)可以基于普通的通信用單模光纖實現(xiàn)多參量的測量，大大降低了傳感器的成本。

該成果以“Single-end hybrid Rayleigh Brillouin and Raman distributed fibre-optic sensing system”為題發(fā)表在Light: Advanced Manufacturing。

該團(tuán)隊設(shè)計一套分布式傳感系統(tǒng)，在同一傳感光纖上結(jié)合了瑞利散射、受激布里淵散射和自發(fā)拉曼散射現(xiàn)象實現(xiàn)了沿光纖的振動、溫度和應(yīng)變的同時傳感并定量測量。該系統(tǒng)在一次探測中將兩個相鄰光脈沖打入光纖，利用前一個脈沖的瑞利散射光實現(xiàn)振動測量，同時和后一個脈沖組成溫度/應(yīng)變測量系統(tǒng)的探測光和泵浦脈沖，發(fā)生受激布里淵散射。結(jié)合脈沖編碼調(diào)整兩脈沖之間的時間間隔，在時域上區(qū)分兩脈沖的自發(fā)拉曼散射光用于溫度測量，解決了受激布里淵散射傳感中溫度應(yīng)變交叉敏感的問題。

該系統(tǒng)不同于三種測量系統(tǒng)的簡單拼湊，而是使用同一光源，并僅通過接收一個脈沖的瑞利散射光實現(xiàn)振動、溫度和應(yīng)變的同時傳感，通過接收拉曼散射光實現(xiàn)溫度的傳感。這項技術(shù)以精簡的系統(tǒng)實現(xiàn)多參量的同時測量，提升了測量反饋速度，采用單端測量方式降低系統(tǒng)復(fù)雜度，并實現(xiàn)了9千米測量距離下，定位精度小于10米、振動噪底10pε/√Hz、布里淵頻移測量精度0.58MHz、溫度測量精度0.5℃的測量指標(biāo)，實現(xiàn)了應(yīng)變溫度參量的完全分離。

多機(jī)理融合的分布式光纖傳感系統(tǒng)拓展了分布式光纖傳感的應(yīng)用場景，得益于其極大的傳感規(guī)模和優(yōu)秀的傳感性能，同時系統(tǒng)成本遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)，多機(jī)理融合的分布式光纖傳感技術(shù)在大規(guī)模傳感領(lǐng)域如大型設(shè)備監(jiān)測、油氣管道監(jiān)測、軌道交通監(jiān)測、建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。

圖1：多機(jī)理融合的分布式光纖傳感系統(tǒng)原理示意圖

| 論文信息 |

Linjing Huang, Xinyu Fan, Haijun He, Lianshan Yan, Zuyuan He. Single-end hybrid Rayleigh Brillouin and Raman distributed fibre-optic sensing system[J]. Light: Advanced Manufacturing 4, 16(2023). 

https://doi.org/10.37188/lam.2023.016

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