用于分布式振动的双电缆辅助高空间分辨率相位解调技术

《Optics & Laser Technology》：Dual cable-assisted high spatial resolution phase demodulation for distributed vibrations

分布式振动传感系统中，通过连接具有特定长度差异的射频电缆实现高空间分辨率相位解调，解决了传统系统受脉冲底宽限制的难题。实验表明该方法在70ns脉冲底宽下可达3.5m空间分辨率，并成功应用于简支梁动态应变测量。

　　在现代工程结构健康监测领域，分布式振动传感（DVS）系统因其具备远程测量、高响应性、大检测范围以及成本效益等优势，得到了广泛的应用。随着技术的不断进步，DVS系统在诸如水下预警、资源勘探、管道安全运行、桥梁结构监测以及铁路运输安全等场景中扮演着越来越重要的角色。然而，传统DVS系统在测量均匀分布振动（USVs）时存在一定的局限性，尤其是在空间分辨率方面。通常，空间分辨率受限于脉冲底部宽度，这使得系统难以实现更高精度的振动监测。因此，提高空间分辨率成为DVS系统研究的重要方向。

空间分辨率是衡量DVS系统性能的关键指标之一，它反映了系统能够准确获取外部振动信息所需的最小光纤长度。更高的空间分辨率意味着系统可以更精细地捕捉振动模式，从而在长距离监测中发挥更大的作用。然而，当前的DVS系统普遍受限于脉冲底部宽度和采样间隔这两个因素。脉冲底部宽度主要由光调制器的带宽特性和光纤的色散因素决定，而采样间隔则受到光电探测器电路带宽与系统噪声之间的平衡影响。因此，DVS系统的空间分辨率通常维持在米级，无法实现对间距小于脉冲底部宽度的USVs进行有效检测。

在实际工程应用中，点型振动传感器如应变片和长跨度光纤光栅（FBG）虽然能够提供较为精确的局部振动数据，但它们在大结构上的部署受限于传感器的稀疏分布，难以实现密集的振动监测。此外，这些点传感器的扩展性差、成本高，导致其在工程项目的广泛应用受到阻碍。相比之下，使用较长的传感光纤可以实现更全面的结构监测，但传统DVS系统仍无法突破空间分辨率的瓶颈。

为了克服这一限制，本文提出了一种新的相位解调方案，即通过连接两条具有特定长度差异的射频电缆（RFCs），在DVS系统内部光电探测器（PD）与数据采集卡（DAQ）之间实现高空间分辨率的相位解调。该方法不需要对DVS系统的内部配置进行任何更改，且能够避免因脉冲底部宽度包含两个采样点而导致的空间分辨率下降问题。通过实验验证，该方法能够实现3.5米的空间分辨率，其脉冲底部宽度仅为70纳秒，远低于传统方法的限制。此外，该方法还避免了使用干涉仪和分束器等光学元件，从而降低了系统成本，并提高了振动信号采集的鲁棒性。

实验结果表明，该方法在简单支撑梁的多个位置上成功地测量了动态应变，并且所获得的应变数据与FBG测量结果高度一致。这表明该方法不仅能够实现高空间分辨率的振动监测，还能在实际工程中发挥重要作用。此外，本文还通过仿真进一步探讨了在振动间距小于脉冲底部宽度一半的情况下，如何实现USVs的相位解调。这一研究为未来的工程应用提供了理论支持和技术指导，特别是在对管道、桥梁等结构进行高精度动态应变监测时，具有显著的现实意义。

本文的结构安排如下：第二部分详细阐述了USVs的高空间分辨率检测机制；第三部分介绍了实验配置、测量结果及其在简单支撑梁中的应用；第四部分讨论了在振动间距小于脉冲底部宽度一半的情况下，如何实现USVs的相位解调；最后，第五部分总结了本文的研究成果，并提出了未来应用的建议。通过这些内容，本文不仅展示了该方法的理论可行性，还通过实验验证了其实际应用价值。

在实际应用中，USVs的高空间分辨率相位解调技术能够为各种基础设施的健康监测提供强有力的支持。例如，在城市道路空洞检测中，该技术可以精确识别由空洞引起的振动异常；在市政管道网络的运维过程中，能够及时捕捉因管道断裂或接缝松动等缺陷产生的结构损伤振动信号；在地质灾害预防中，可用于有效监测因挖掘机作业引发的沉积物或岩石滑坡。这些应用不仅提高了基础设施监测的精度和效率，还为工程安全提供了更为可靠的保障。

从技术角度来看，本文提出的方法在实现高空间分辨率的同时，也兼顾了系统的经济性和可扩展性。传统的高空间分辨率振动检测方法往往需要复杂的硬件配置和高昂的设备成本，而本文的方法则通过优化内部配置，利用射频电缆的长度差异，实现了相位解调的突破。这一方案不仅降低了系统的硬件依赖，还避免了对额外光学或电气模块的需求，从而提高了系统的整体稳定性。此外，该方法在信号处理过程中表现出更强的抗干扰能力，使得在复杂环境中仍能获得高质量的振动数据。

在实验设计方面，本文采用了DVS系统的典型配置，并通过模拟和实际测试验证了所提出方法的有效性。实验中使用了窄线宽激光器（NLL）作为光源，其中心波长为1550.12纳米，线宽为3千赫兹。激光通过声光调制器（AOMD）被随机波形发生器（RWG）调制，从而生成具有特定脉冲底部宽度的脉冲光。该脉冲光经过传感光纤后，产生振动干扰信号，最终通过光电探测器和数据采集卡进行处理。实验结果表明，该方法在实际应用中能够稳定地获取振动信号，并且在不同位置上的动态应变测量结果与FBG测量结果高度吻合。

此外，本文还探讨了在振动间距小于脉冲底部宽度一半的情况下，如何实现USVs的相位解调。通过仿真分析，研究发现当振动间距减小时，当前的脉冲光会同时感知相邻振动的相位信息，从而影响对每个振动相位的准确提取。然而，通过合理配置两条射频电缆的长度差异，可以有效解决这一问题。这种方法不仅适用于当前的DVS系统，还能够通过预装软件进行升级，无需对系统内部硬件进行任何修改，从而实现了高空间分辨率的动态应变测量。

综上所述，本文提出了一种创新的相位解调方法，通过优化DVS系统的内部配置，实现了对USVs的高空间分辨率检测。该方法不仅提高了系统的测量精度，还降低了成本，增强了系统的稳定性，为未来的工程应用提供了新的思路和技术手段。随着相关技术的不断成熟，这一方法有望在更多领域得到推广和应用，进一步提升基础设施健康监测的水平。