利用布里渊拍频谱重建技术提高斜坡辅助型BOTDR（BOTHORhizometric Time-Domain Reflectometry）的测量精度

《Optics & Laser Technology》：Accuracy enhancement of slope-assisted BOTDR using Brillouin beating spectrum reconstruction

分布式光纤传感技术中，基于Brillouin散射的SA-BOTDR方法通过扩展BBS线性斜坡提升测量范围，但多组分频率干扰导致精度下降。本文提出移位BBS时域响应累积重建方法，有效抑制非线性干扰，实验表明其线性斜坡扩展至383.9MHz，应变测量范围达6884.0με，相关系数提升至0.9909。

　　在现代传感技术中，分布式光纤传感系统因其高精度、长距离和实时性等优势，被广泛应用于结构健康监测、地震预警、油气管道监测以及水下通信等多个领域。其中，基于布里渊散射原理的布里渊光时域反射技术（Brillouin Optical Time-Domain Reflectometry, BOTDR）因其能够在较宽的范围内实现温度和应变的测量，成为研究的重点之一。然而，在实际应用中，传统BOTDR技术面临一些关键挑战，如测量范围受限、信号失真、动态应变检测能力不足等问题，这些问题严重制约了其在复杂场景下的应用效果。

针对这些问题，研究人员提出了多种改进方案，其中“坡度辅助布里渊光时域反射”（Slope-Assisted BOTDR, SA-BOTDR）作为一种新型技术，能够在不牺牲测量精度的前提下，显著扩展测量范围。SA-BOTDR的核心思想是通过优化布里渊频移谱（Brillouin Beating Spectrum, BBS）的斜率，提高系统的动态应变检测能力。然而，这一方法在实现过程中也遇到了新的问题，即在扩展BBS斜率时，由于多频成分的频率干扰，会导致信号失真，进而影响测量精度。

为了解决这一问题，本文提出了一种“移位布里渊频移谱时域响应积累重建方法”，该方法通过抑制非线性频率干扰，有效提升了SA-BOTDR的测量精度，同时保持了较大的测量范围。这一方法的提出基于对布里渊散射过程的深入理论分析，以及对布里渊频移谱的谱形重构。通过对多频调制信号的优化处理，系统能够在不牺牲信号质量的前提下，实现更长的单调线性斜率，从而显著提升动态应变的测量范围和精度。

实验部分采用了1.1公里的传感光纤，并通过2米的分辨率对光纤的应变状态进行了检测。实验结果显示，通过扩展BBS的斜率，系统将原本的93.0 MHz频率范围提升至约383.9 MHz，这一扩展使得应变测量的动态范围达到了6884.0 με。同时，该方法在提高频率线性度方面表现出色，相较于传统多频调制方法，系统的皮尔逊相关系数从0.9157提升至0.9909，验证了其在提高测量精度方面的有效性。

在实际应用中，传统的布里渊传感系统往往依赖于多频调制信号来实现宽频范围的测量，然而这种调制方式容易引入非线性频率干扰，导致信号失真，从而影响测量的准确性。相比之下，本文提出的移位布里渊频移谱时域响应积累重建方法，在优化多频调制信号的同时，有效避免了非线性频率干扰，从而在保持宽测量范围的前提下，显著提升了测量精度。该方法的实现依赖于对BBS的深入理解，以及对信号处理算法的优化，使得系统能够在不依赖复杂硬件配置和高采样率的情况下，实现高精度、高分辨率的动态应变检测。

此外，本文还对现有的一些改进方法进行了分析和比较。例如，一些研究者通过采用多模光纤来扩展布里渊频移谱的范围，但这种方法仍然受到非线性频率干扰的影响，导致测量精度下降。另一些研究者则通过调整探头光谱，实现动态应变检测的扩展，但这种方法在实际应用中存在较高的复杂度和成本。还有研究者提出了双坡度辅助方法，通过降低探头功率对频率偏移的依赖，实现更宽的测量范围，但这种方法在实际应用中仍然存在一定的局限性。

本文提出的移位布里渊频移谱时域响应积累重建方法，不仅解决了上述问题，还提供了一种更为稳定和高效的技术方案。通过优化信号处理流程，系统能够在不牺牲信号质量的前提下，实现更长的单调线性斜率，从而显著提升动态应变的测量范围和精度。该方法的实现过程相对简单，不需要复杂的硬件配置，因此具有较高的应用潜力和推广价值。

在实验验证过程中，系统采用了1.1公里的传感光纤，并通过2米的分辨率对光纤的应变状态进行了检测。实验结果显示，通过扩展BBS的斜率，系统将原本的93.0 MHz频率范围提升至约383.9 MHz，这一扩展使得应变测量的动态范围达到了6884.0 με。同时，该方法在提高频率线性度方面表现出色，相较于传统多频调制方法，系统的皮尔逊相关系数从0.9157提升至0.9909，验证了其在提高测量精度方面的有效性。

为了进一步验证该方法的可行性，本文还对实验数据进行了详细分析。实验结果表明，该方法能够在不引入非线性频率干扰的情况下，实现高精度、高分辨率的动态应变检测。同时，该方法在信号处理过程中，有效减少了局部衰减和整体拟合误差，从而提高了测量的稳定性。此外，该方法在实际应用中表现出良好的适应性，能够应对不同的测量条件和环境因素。

在理论分析方面，本文深入探讨了布里渊散射过程，以及布里渊频移谱的生成机制。通过对布里渊散射过程的建模，研究人员发现，布里渊频移谱的斜率与光纤的应变状态密切相关。因此，通过优化布里渊频移谱的斜率，可以实现更精确的应变测量。此外，本文还对多频调制信号的处理方式进行了分析，发现传统方法在扩展频率范围时容易引入非线性频率干扰，从而影响测量精度。

基于上述理论分析，本文提出了一种新的信号处理方法，即“移位布里渊频移谱时域响应积累重建方法”。该方法通过优化多频调制信号的处理流程，有效抑制了非线性频率干扰，从而提高了测量精度。同时，该方法在扩展频率范围时，能够保持较高的频率线性度，使得应变测量的动态范围得以显著提升。

实验结果表明，该方法在实际应用中表现出良好的性能。通过1.1公里的传感光纤和2米的分辨率，系统能够实现20 Hz频率下的动态振动信号检测，并验证了其在动态应变测量中的能力。此外，该方法在信号处理过程中，有效减少了局部衰减和整体拟合误差，从而提高了测量的稳定性。实验数据显示，该方法在提高频率线性度方面表现出色，相较于传统方法，系统的皮尔逊相关系数从0.9157提升至0.9909，验证了其在提高测量精度方面的有效性。

在实际应用中，该方法具有较高的可行性。通过优化信号处理流程，系统能够在不依赖复杂硬件配置和高采样率的情况下，实现高精度、高分辨率的动态应变检测。此外，该方法在信号处理过程中，有效减少了局部衰减和整体拟合误差，从而提高了测量的稳定性。实验结果表明，该方法能够实现6884.0 με的动态应变测量范围，这一结果在实际应用中具有重要的意义。

综上所述，本文提出了一种新的信号处理方法，即“移位布里渊频移谱时域响应积累重建方法”。该方法通过优化多频调制信号的处理流程，有效抑制了非线性频率干扰，从而提高了测量精度。同时，该方法在扩展频率范围时，能够保持较高的频率线性度，使得应变测量的动态范围得以显著提升。实验结果表明，该方法在实际应用中表现出良好的性能，能够实现高精度、高分辨率的动态应变检测。此外，该方法在信号处理过程中，有效减少了局部衰减和整体拟合误差，从而提高了测量的稳定性。该方法的提出为SA-BOTDR技术的发展提供了新的思路和解决方案，具有重要的应用价值和推广前景。