基于相干光时域反射测量的分布式光纤传感器的瑞利特征光谱拼接技术

《Journal of Lightwave Technology》：Rayleigh Signature Spectral Stitching for Distributed Fiber Optic Sensors Based on Coherent Optical Time-Domain Reflectometry

　　

摘要：

我们展示了一种基于瑞利散射的分布式光纤传感器 interrogation 技术，该技术填补了高灵敏度动态振动传感与宽范围静态应变或温度监测之间的空白。这项技术建立在我们之前开发的一种方法基础上，该方法用于在相干光时域反射测量（C-OTDR）系统中测量所谓的瑞利特征（RS）。虽然这种方法能够实现高频振动的高分辨率、远距离测量，但实际上获取的瑞利特征受到探头波形带宽的限制，从而限制了可测量的应变/温度变化范围。在这项工作中，我们提出了一种光谱拼接方法，通过结合在初始校准阶段使用不同探头中心频率获得的多个带限瑞利特征测量结果，重建出一个宽带瑞利特征参考图。相邻的瑞利特征段通过其光谱重叠进行对齐，并拼接成一个单一的宽带参考图。经过这次一次性校准后，可以在固定的探头波长下进行动态传感：每个测量的瑞利特征都与光谱拼接的参考图进行匹配，以估计引起的频率偏移。我们在一个脉冲压缩 C-OTDR 系统中实验验证了该方法，该系统覆盖了 25 公里距离，具有 1 米的空间分辨率，重建了一个 30 GHz 的宽带瑞利特征参考图，能够支持较大的温度/应变变化，并且在校准几天后仍能进行测量。我们进一步展示了在缓慢的环境漂移背景下叠加快速 757.57 Hz 振动时的长期动态应变传感，实现了 0.8 × 10^-6 ε/H 的应变灵敏度。