基于单通道光频域反射仪的多光纤并行传感

01 导读

光频域反射技术（OFDR）以其高信噪比、高灵敏度和高空间分辨率的优点被广泛应用于多种物理量的分布式测量中，例如应变、温度和振动等。在实际应用中通常需要同时监测多根光纤/纤芯来完成传感任务，例如形状传感、多参数监测等，而通常在这些应用中需要为每一根光纤/纤芯分配一条专用的通道，因此实现多传感光纤的复用能够简化传感系统的复杂度和成本。

近期，大连理工大学彭伟、周大鹏教授团队与加拿大渥太华大学鲍晓毅教授团队合作提出了一种基于单通道光频域反射仪的多光纤并行传感方案，利用每根光纤固有的瑞利背向散射特性作为识别传感信息的关键特征，结合光耦合器实现对多根传感光纤的同时测量。实验结果表明，利用单通道光频域反射仪可以完成对4根单模光纤（可扩展到6根）的同时解调，并且空间分辨率保持在mm量级。相关工作以“Multiple optical fiber sensing with a single data channel of optical frequency-domain reflectometry”为题发表在Optics Letters上。大连理工大学硕士研究生吕拓为论文第一作者，周大鹏教授为论文通讯作者。

02 研究背景

OFDR以其高测量精度、高灵敏度和高空间分辨率等优势，被广泛应用于航空航天、土木工程、生物医疗等领域。在很多应用场景中通常需要同时实现对多根光纤/纤芯的监测来完成特殊的传感任务，例如形状感知应用需要通过同时解调附着在同一物体上的多根传感光纤或者多芯光纤的各条纤芯的应变差异来实现。在这样的应用背景下，实现多根传感光纤的复用，即实现对多根光纤的单通道检测，不仅能保证测量的同时性和准确性，也能降低测量系统的复杂度和硬件成本。

现有基于OFDR的多光纤复用技术主要有三类：第一类是结合时分复用（TDM）使用光开关对网络中各光纤进行非同时逐一检测，然而其非同时性检测特点无法满足有高度同时性要求的传感任务；第二类利用带宽分复用（BDM）在激光波长扫描过程中将覆盖不同波长范围的光分别入射到不同的传感光纤中实现多通道传感，但更窄的波长扫描范围会成倍地降低传感的空间分辨率和测量范围；第三类结合空分复用（SDM）将瑞利散射增强的特殊光纤分布于传感网络的不同位置处，在空间距离上完成对不同传感光纤的区分。但是此方法不仅需要使用特种光纤作为传感元件，还会大幅降低传感系统的测量长度。

本团队提出一种基于单通道OFDR的多光纤并行传感方案，利用每根光纤所特有的瑞利散射特征作为传感“密钥”，能够同时实现对多个单模光纤（SMF）的全分布式应变传感。此方案是受Froggatt等人早期解调两根并行光纤工作的启发，他们采用相位解调方法，通过大量平均分离出不同光纤的相位分布，但是能够解调的光纤数量有限，并且缺乏空间分辨率及测量精度信息。我们的方法采用互相关算法区分不同光纤的应变分布，能够实现最多6根光纤的同时解调，并且保持mm量级的空间分辨率和较高的测量精度。

03 创新研究

3.1 基于单通道OFDR的并行光纤传感系统

实验中将传统的OFDR系统经过光耦合器与多根传感光纤相连，构成基于单通道OFDR的并行光纤传感系统，传统OFDR系统装置示意图如图1（a）所示，同时实验中采用了双光纤和四光纤两种并行传感网络，其结构分别如图1（b）和图1（c）所示。

图1 （a） OFDR系统示意图， （b） 双光纤并行网络， （c） 四光纤并行网络

图源： Optics Letters （2022） https://doi.org/10.1364/OL.464770 （Fig. 1）

3.2 基于单通道OFDR的多并行光纤传感

基于互相关算法的OFDR系统通过分布式测量光纤中瑞利背向散射的局部光谱偏移完成对光纤沿线的外界环境参量的连续监测。OFDR单光纤传感系统将频率线性调谐的激光入射到传感光纤中，测得整个传感光纤背向瑞利散射的频域信号。将频域信号进行傅里叶变换（FFT）即可以得到沿整根光纤的距离域信号，此时选取一部分空间长度的数据将其进行反傅里叶变换（IFFT）转换回频域，即可得到在此空间距离处光纤的局部光谱。因为外界环境参量（应力或温度）的变化会导致光纤局部光谱的频移，因此在基于互相关的OFDR解调算法中，通过分布式解调局部光谱的偏移量即可完成对外界环境参量变化的定位及标定。

在我们所构建的多光纤并行传感结构中，我们通过单次测量获得的传感信号同时包含了所有传感光纤的瑞利背向散射信号，将其进行FFT和IFFT后得到的局部光谱为所有传感光纤在同一长度位置处的重叠频谱。由于每根光纤的瑞利散射信号是随机且唯一的，不同光纤的局部频谱之间不存在相关性，因此我们能够利用每根光纤预先单独测量的参考散射信号分别与从网络中获取的整体散射信号进行分布式互相关计算进行解调。此时，不同光纤的参考信号与整体信号的相关性将不受其他光纤干扰被分别展示出来，即相当于利用每根光纤特有的瑞利散射特征作为“密钥”将每一根光纤的传感信息从复合信号中分别提取出来，从而完成对并行光纤网络中不同光纤的区分及传感。

3.3 实验结果与讨论

3.3.1 双光纤并行传感的应变分布测量

实验首先验证了如图1（b）所示的双光纤并行网络的应变传感，实验采用6m和8.7m长的SMF作为传感光纤，并在两根光纤相同位置处分别施加一定的应力。图 2（a）展示了并行光纤网络随距离分布的整体瑞利散射信号，同时图2（b）和2（c）分别展示了其中一根光纤的参考信号与整体信号在单光纤位置以及双光纤并行位置的互相关结果，可见由于在多光纤并行位置处存在来自于其他光纤不相关的散射信号，双光纤位置处互相关的信噪比（SNR）有所降低，但其互相关峰值仍清晰可见，能够准确反应出光谱的频移量。

图2 （a） 随空间距离分布的瑞利散射信号， （b） 单光纤位置处及 （c） 双光纤位置处在5mm空间分辨率下的互相关计算结果 图源： Optics Letters （2022） https://doi.org/10.1364/OL.464770 （Fig. 2）

相应的，在5mm空间分辨率下解调出的应变分布如图3（a）所示。图3（b）展示了不同空间分辨率下单光纤与双光纤位置处的应变标准偏差，可见应变测量精度随空间分辨率的降低而提高，并且双光纤并行的测量精度明显低于单光纤。但是随着空间分辨率的降低其差别越来越小，这也意味着通过在一定程度上降低空间分辨率我们仍能准确地获取传感信息，并且分辨率仍能够保持在mm量级。

图3 （a） 双光纤并行传感的应变分布， （b） 单光纤和双光纤的应变标准差（Std）与空间分辨率的关系

图源： Optics Letters （2022） https://doi.org/10.1364/OL.464770 （Fig. 3）

3.3.2 多光纤并行传感的应变分布测量

接下来我们进一步增加并行传感光纤的数量。实验结果表明采用现有结构，即使SNR进一步降低，但本方案仍然能够很好地完成三根光纤的并行传感，但无法在实现四根光纤并行传感的同时保持mm量级的空间分辨率。因此我们结合SDM技术设计了四光纤并行传感结构如图1（c）所示。实验中四根传感光纤长度都约为6m，相应的瑞利散射信号展示在图4（a）中，同时图4（b）、4（c）和4（d）分别展示了5mm空间分辨率下在单光纤、三光纤以及双光纤并行位置的互相关结果。结果可见三光纤并行传感位置处互相关SNR进一步降低，但其峰值仍清晰可见。

图4 （a） 随空间距离分布的瑞利散射信号， （b） 单光纤位置处， （c） 三光纤位置处及 （d） 双光纤位置处在5mm空间分辨率下的互相关计算结果

图源： Optics Letters （2022） https://doi.org/10.1364/OL.464770 （Fig. 4）

同样的我们分别在四根光纤大约相同的位置处施加应力，如图5（a）所示每根光纤对应的应变分布情况在6mm空间分辨率下被清晰地解调出来。图5（b）展示了不同空间分辨率下应变测量的标准偏差，可见三光纤并行时的测量精度进一步降低，但在6-10mm的范围内与单光纤精度非常接近，这也说明我们仍能在mm量级上准确获得三根光纤并行时的传感信息，并且能够采用如图1（c）的结构实现四根（最多六根）光纤的同时测量，但是此时牺牲了一半的测量距离。

图5 （a） 四光纤并行传感的应变分布， （b） 单光纤、双光纤和三光纤的应变标准差（Std）与空间分辨率的关系

图源： Optics Letters （2022） https://doi.org/10.1364/OL.464770 （Fig. 5）

04 应用与展望

本文提出了一种基于单通道OFDR系统的多光纤并行传感方案，利用每根光纤特有的瑞利背向散射特性作为识别传感信息的关键特征，使用单个通道单次测量即可完成对由多根光纤组成的并行光纤网络的分布式传感。本方案利用现有的OFDR系统，无需任何额外的硬件修改即可实现多光纤并行传感，为现有的传感应用提供了简单且经济高效的解决方案。

审核编辑 ：李倩