基于双频梳的光纤分布式声波传感(Comb-DAS)

MEMS 2024-02-27 00:02

01 导读

2024年1 月20日,电子科技大学信息与通信工程学院光纤传感与通信教育部重点实验室饶云江教授团队在光纤分布式声波传感关键技术研究方面取得了突破性进展。研究团队首次提出了基于双频梳的光纤分布式声波传感技术(DAS)新概念(Comb-DAS),通过将集成双克尔孤子微腔频梳与DAS结合,利用光频梳线天然的高度相干性,实现了光纤瑞利散射信号的波分复用相位并行叠加,取得了高达560 fε/√HZ的应变探测灵敏度。相较于常规DAS,实现了一个数量级的灵敏度提升,1.6倍的传感距离拓展和显著的相干衰落抑制。该研究为研发下一代超灵敏、超长距离的DAS系统提供了关键技术支撑。

图1 论文剪影

相关成果以“Coherently parallel fiber-optic distributed acoustic sensing using dual Kerr soliton microcombs”为题发表于《科学-进展》(Science Advances)杂志上。电子科技大学为论文第一作者单位,饶云江教授、姚佰承教授为论文通讯作者。

2024 | 前沿进展

02 研究背景

分布式光纤传感是一种以光纤为载体的分布式测量手段,可以对数十乃至上百公里范围内数十万点的物理信息(如温度、应变、声波等)进行连续的测量,而独树一帜。其中,基于光纤瑞利后向散射机理的分布式声波传感技术(DAS)因为其具有沿光纤链路能进行长距离声波高灵敏分布式感知的能力,从而成为一种不可替代的变革性声学/地震/振动传感技术,在油气勘探开发、安防入侵检测、地震台网探测、结构健康监测等领域有着广泛的应用。然而,目前基于单频激光源的常规DAS,其有限的入纤光功率导致了其信噪比和传感距离严重受限。此外,单频激光产生的相干衰落也是一个难题。上述问题已成为研发下一代超长距离、超高精度DAS系统的一个原理性瓶颈障碍。

片上孤子微梳是一种多频输出光源,由于其高精度、高相干和高集成的特性,可服务如光通信、光子计算、光学原子钟等多领域应用。同时,双频梳技术提供了将光学频率转换为射频的先进手段,被广泛应用于成像、测距、光谱等领域。近日,电子科技大学光纤传感与通信教育部重点实验室饶云江教授团队将集成双克尔孤子微梳与DAS结合进行相干并行传感。在该研究中,创造性地提出了相干合成相位解调方案,实现了DAS灵敏度、传感距离和抗衰落性能的全面提升。

图2 基于片上双光梳的DAS新方案

03 研究创新点

Comb-DAS工作原理:常规DAS中,外界声波会引起光纤瑞利散射信号的相位变化∆φ。在Comb-DAS相干并行传感中,每条梳线会携带相同的相位信息∆φ,并经过I-Q处理后最终累积起来。双孤子微梳的高相干性保证了所有的梳线具有相同的相位信息,所以,若有N根梳线的话,Comb-DAS的灵敏度便能提高N倍。实际情况中,∆φ大小与外界声波信号的幅度线性相关。因此,若∆φ为DAS的探测极限时,Comb-DAS的探测极限可从∆φ减小到∆φ/N,因而具备了检测极弱声波信号的能力。

图3 (A)单频激光DAS的相位信息示意图。(B)Comb-DAS的相位信息示意图。(C)梳线的数目和测量的相位变化的映射谱。(D)信号PSD谱对比图

Comb-DAS实验验证:研究者们在两个重复频率差为200 MHz的氮化硅微腔中产生一对克尔孤子频率梳(重复频率≈110 GHz),将其对应的十对梳线滤出形成具有十根梳线的一对频率梳,其中一组频率梳作为探测光,另一组则作为本振光,从而形成双频梳干涉仪。探测光在传输中获得外界声波信息后其回光与本振光发生干涉,无需高速光电探测器便可实现外差测量。通过基于频分复用的相干并行传感,与常规单频激光器相比,获得了10倍的灵敏度增强。实验中进行了传感距离为10 km,空间分辨率为5 m的Comb-DAS声波测量,并与基于单频光源的常规DAS进行对比,实验结果如图3所示。可以明显地看出Comb-DAS在各目标频率下的信号质量提升,获得了世界级的声学探测灵敏度,达到了560 fε/√HZ的水平。此外,Comb-DAS可在具有更低布里渊阈值的长光纤中实现更高的功率传输,使其最大传感距离从43公里扩展延长到72公里,延长1.6倍以上,且不需要任何如分布式光放大等额外的辅助手段。

图4 (A)传感信号时域对比图。(B)传感信号频域瀑布图。(C)传感信号PSD谱对比图。(D)传感距离对比图。(E)传感信号时域瀑布对比图

04 总结与展望

该研究报告了一种基于集成双孤子微梳的相干并行光纤分布式声传感新技术(Comb-DAS)。双频梳光源通过提供相位互锁多频信道,实现了传感信号的线性叠加、频分复用和高精度相位解调,并具有极大的灵敏度提升潜力。实验中,通过使用10条梳线进行传感,获得了亚皮应变的灵敏度,同时,频率复用的策略有效地抑制了相干衰落。此外,更高的入纤功率获得了更远的传感距离。双孤子微梳和DAS的结合不仅打破了当前DAS技术受限于单频激光源原理性限制,成为将微腔频率梳扩展到光纤传感领域的成功范例,而且还引入了一种能显著提升DAS性能变革性策略,即基于宽带频梳光源,可望为研发下一代超灵敏、长距离DAS系统提供核心技术支撑,为油气勘探开发、安防入侵检测、地震台网探测、结构健康监测等领域提供新一代的Comb-DAS仪器

论文链接:

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf8666

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