基于捷变数字光频梳的高分辨率快速BOTDA

01   导读

布里渊光时域分析仪（BOTDA）因其在长距离分布式传感中对温度、应变等多种参量的优良性能表现，受到了广泛研究与应用。但其十分耗时的扫频过程限制了系统的采样速率，导致传统BOTDA一般只能用于静态测量。为实现动态测量，多种快速测量方案应运而生。其中，基于数字光频梳的BOTDA无需扫频，具有大动态测量范围且能有效避免光功率抖动引起的测量误差。然而，该方案存在空间分辨率和频率分辨率相矛盾的固有限制，致使系统空间分辨率严重受限，难以满足实际应用需求。 针对上述问题，华中科技大学唐明教授、赵志勇副教授团队提出了基于捷变频数字光频梳的高空间分辨率快速BOTDA方案，通过将不同起始频率的“稀疏”光频梳作为探测光，依次扫描待测光纤的布里渊增益谱（BGS），在接收端进行频率相互交织形成“细密”测量光频梳。可在不牺牲频率分辨率的情况下，提升系统空间分辨率。此外，引入了二次方相位编码对数字光频梳进行相位调制以提高信噪比。基于所提出的空间分辨率提升方案，实验实现了10km光纤上系统的空间分辨率突破至5m，同时测量范围达1GHz，频率不确定性低于2MHz，且具有动态测量能力。研究成果以“High spatial resolution fast BOTDA enabled by frequency-agility digital optical frequency comb”为题发表在Optics Letters期刊上。华中科技大学博士研究生何欢为论文的第一作者，赵志勇副教授为论文的通讯作者。

02  研究背景

基于受激布里渊散射效应（SBS）的BOTDA由于传感距离长、测量精度高和抗电磁干扰等优势，被广泛用于建筑防护、管道监测、火灾报警等诸多领域。依赖于对向传播的探测光和泵浦光在待测光纤中引起SBS，传统BOTDA通过扫描探测光的频率来获得BGS，从而解调出沿光纤链路的温度或应变信息。但是微波源的频率切换速度较慢，导致扫频操作非常耗时，极大地限制了传感系统的监测速度。为了提升测量速度，多种动态测量的实施方案被提出，主要包括斜坡辅助、数字光频梳、捷变频和光学啁啾链技术等。其中，基于数字光频梳的BOTDA利用光频梳的多个梳齿在频域上进行简单处理即可一次性地获得整段光纤的分布式BGS，避免了时域上光功率抖动引起的测量误差，且测量范围易扩展，适用于大动态范围的快速测量。然而，受快速傅里叶变换限制，系统空间分辨率与频率分辨率相矛盾，一般只能达到几十米。针对这一问题，多个课题组分别提出了多泵浦脉冲和脉冲编码等解决方案来提升空间分辨率，但系统空间分辨率仍旧不低于10m，对实际应用而言显得有些力不从心。 因此，如何进一步提升空间分辨率是亟待解决的重要问题。本团队创新性地将数字光频梳技术和捷变频技术相融合，使得系统空间分辨率达到5m新纪录，且系统传感精度可灵活配置，为基于数字光频梳的快速BOTDA提供了一种极具竞争力的空间分辨率提升方案。

03   创新研究

3.1 捷变频数字光频梳

何为捷变频？即快速变化的频率，在BOTDA中通过将扫频波形加载至任意波形发生器从而替代微波源来实现快速频率切换。何为数字光频梳？即像梳子一样具有多个频率梳齿且间隔稳定的的光信号，由数字信号通过光调制生成。与传统BOTDA不同的是，基于数字光频梳的BOTDA的空间分辨率并非由泵浦光的脉冲宽度决定，而是由作为探测光的光频梳的帧长度决定，但帧长度与梳齿频率间隔成反比。因此若要保持高空间分辨率，梳齿频率间隔就要足够大。本团队提出的捷变频数字光频梳技术将多个大频率间隔的数字光频梳依次作为探测光以保证系统具有高空间分辨率，在接收端相互交织形成更精细的频率梳以补偿系统的频率分辨率，便可在不牺牲系统测量准确度的情况下进一步提升空间分辨率。 捷变频数字光频梳通过快速切换具有相同频率间隔但不同起始频率的数字光频梳，依次加载到探测信号端，在待测光纤中与泵浦光发生SBS作用后，经电域探测后在频域上进行频率交织，从而增加测量BGS的频率分量。关键问题在于捷变频数字光频梳的电域探测，由于起始频率不同，利用频率固定的载波或本振光进行相干拍频的传统做法并不可取。既然载波难以变化，那就只能“自带”频率相应变化的本振光。通过插入一个可移动的、功率更高的余弦信号作为每个光频梳的本振光，经电域探测后的拍频信号都具有相同的频率间隔和起始频率，从而按照移频顺序实现频率交织。该方法无需改变系统的原有架构，对数字光频梳的基带信号进行简单预处理即可灵活配置系统传感精度，为解决系统空间分辨率受限问题提供了一种巧妙的新途径。 

图1  基于捷变频数字光频梳的BOTDA原理图

图源: Optics Letters  (2022)

https://doi.org/10.1364/OL.458100 (Fig. 1)

3.2二次方相位调制

梳齿的相位分布直接影响着光频梳的峰均功率比（PAPR），具有恒定或线性相位分布的光频梳在时域上表现为高PAPR的极窄脉冲，会严重影响系统的传感精度。数字光频梳的PAPR可以通过基带信号的相位编码来进行调控。一种常见的编码方法是采用均匀分布的随机相位编码，在梳齿数量足够的情况下可降低峰值功率，但性能有限且难以找到最优分布。为保障系统测量准确度，本团队引入二次方相位编码用于捷变频数字光频梳的相位调制以提高信噪比，即单个梳齿的相位正比于梳齿序号的平方，简单且有效地降低了探测光的PAPR。 如图2(a)所示，探测光由具有50个梳齿和20MHz频率间隔的5个不同数字光频梳组成，光频梳之间的初始频率差为4MHz。尽管额外的本振项会影响PAPR，但二次方相位调制信号的PAPR仍比随机相位调制信号低3dB，比线性相位调制信号低10dB。图2(b)和图2(c)分别显示了具有随机相位分布和二次方相位分布的接收信号功率谱。显然，使用二次方相位编码的数字光频梳接收信号功率更高、更平坦，为提升系统测量精度提供了一种简便的新方法。

图2 信号功率谱: (a)探测光基带信号 (b)随机相位编码的接收信号 (c)二次方相位编码的接收信号

图源:Optics Letters  (2022)

https://doi.org/10.1364/OL.458100 (Fig. 2)

3.3高空间分辨率快速BOTDA

实验系统如图3所示，采用上述5个不同数字光频梳的探测光配置，对应5m空间分辨率和4MHz频率分辨率。通过调整泵浦脉冲的时延，不同的数字光频梳在10km单模光纤中经SBS作用后，在BGS带宽内获得不同程度的增益，由直接探测得到拍频信号并进行解调。经时钟同步后，每个频率梳的振幅和相位信息由快速傅里叶变换获得。然后，接收到的各频率梳根据移频顺序进行相互交织，以重建频率间隔更小的精细频率梳，利用无增益的信号作为背景噪声，通过信道估计即可提取出BGS和布里渊相移谱（BPS），最后拟合计算得到沿光纤链路的BFS分布。

图3 基于捷变频数字光频梳的BOTDA系统图

图源: Optics Letters  (2022)

https://doi.org/10.1364/OL.458100 (Fig. 3)

系统的单次测量时间为25ms，单个传感点的BGS和BPS测量结果如图4所示，洛伦兹拟合曲线的3dB带宽约为35MHz。单个大频率间隔的数字光频梳只能获取少量增益信息，但频率交织使得频率间隔缩小到4MHz，方可得到精确的测量结果。得益于二次方相位调制，系统沿光纤链路的BFS不确定性始终低于2MHz。

图4 (a)测量BGS及拟合结果 (b)测量BPS及拟合结果

图源: Optics Letters  (2022)

https://doi.org/10.1364/OL.458100 (Fig. 4)

为测试系统的传感性能，在光纤远端设置一个5m的加热点。温度测量结果如图5(a)所示，可以看出系统对温度变化具有良好的线性响应，最大测量误差约为0.6℃。此外，将两段相邻的5米光纤依次作为加热点，图5(b)表明系统可准确识别相邻加热点，验证了系统具有5米的空间分辨率。

图5 (a)温度测量结果，(b)相邻加热点的BFS分布

图源: Optics Letters  (2022)

https://doi.org/10.1364/OL.458100 (Fig. 6)

最后，为验证系统的动态测量能力，使用压电陶瓷驱动器（PZT）进行振动测试。测量结果如图6所示，表明系统具有大测量范围且采样速率达40Hz。可以结合偏振复用和相干检测等技术，进一步提升系统采样速率。

图6 (a)沿光纤链路的BGS分布 (b)10Hz方波测量结果

图源: Optics Letters  (2022)

https://doi.org/10.1364/OL.458100 (Fig. 7)

04   应用与展望

本团队提出了一种基于捷变数字光频梳的高分辨率快速BOTDA，在保持良好测量精确度下有效规避了空间分辨率受限的技术瓶颈，同时引入二次方相位编码优化了探测光的PAPR。实验验证了系统在10km光纤上具有5m空间分辨率和40Hz采样速率。若想进一步提升空间分辨率，可以使用更多的捷变频数字光频梳，但会以增加测量时间为代价。系统传感精度可针对不同应用场景进行灵活配置，在未来大动态范围动态传感方面具有重要研究意义和广阔应用前景。  

审核编辑 ：李倩