在过去几十年中,光纤传感器因其体积小、稳定性高、灵敏度高和实时测量能力强等显著优势而得到了广泛研究 [1], [2], [3], [4]。作为基本的物理和环境参数,气压在电力设备维护、工业过程调节和航空航天任务中起着至关重要的作用。所有这些实际应用都要求传感器具备快速响应和连续高精度测量的能力 [5], [6], [7], [8]。例如,在油气勘探中,准确监测地层气压能够评估井下工作状况,并分析压力波动对设备和地层的影响 [9]。然而,传统解调技术的解调速率较低,仅限于千赫兹范围(通常低于100 kHz),严重限制了快速瞬态压力信号的实时检测性能。表1。
解调速度直接受解调参数的控制 [10]。强度调制和波长调制是两种主流解调方案 [11], [12]。基于强度调制的光纤传感器在环境干扰下光功率不稳定,降低了调精度。对于波长调制传感器,波长漂移由温度、压力、振动、湿度、弯曲、折射率、气压等因素的变化引起 [13], [14], [15], [16]。波长漂移通常由体积庞大、成本高昂的光谱仪(OSA)进行测量,其机械扫描限制了调速度。边缘滤波器提供了一种低成本的替代方案,将波长偏移转换为强度变化 [17],但该方法精度较低,检测速率仅限于千赫兹范围(仅100 kHz)。
新兴的时域拉伸技术将单次光谱数据映射为时域波形,从而实现频域中的实时测量 [18], [19], [20], [21]。该技术在多个领域取得了显著进展,如孤子动力学、高速光谱学、超快成像和量子光子学 [22], [23], [24], [25], [26], [27]。通过建立波长到时域的映射关系,将波长变化转换为时间漂移,可使用实时示波器进行测量 [28]。变化速率与脉冲重复频率成正比,这有助于将调速率提升至兆赫兹范围。例如,该技术在众多应用中展现了卓越的性能,包括气体泄漏检测 [29]、压力传感 [30]、弯曲传感 [31]、湿度传感 [32]、冲击波速度测量 [33]、双梳测距 [34], [35]。这些成果验证了其在物理量高速高精度测量方面的通用适用性。
本文提出了一种结合MMF与SHDCF级联结构的气压测量系统,并引入时域拉伸技术实现超快气压监测。该系统采用宽带高功率飞秒保偏光纤激光器源,基于自相似放大原理应用时域拉伸技术。通过将MMF-SHDCF-MMF级联结构编码的光谱波形映射到时域,进一步提升了系统的响应速度和测量精度。该方法实现了高压动态环境下的实时监测,为超快气压测量提供了创新解决方案。