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研究人员开发出跨度分辨率更高的光纤传感器

2021-11-04 16:17上一篇:“降耗增效”应对双积分,大陆集团MKC1制动系统2020年国内量产 |下一篇:没有了

为了修缮老化的基础设施,监测现有的桥梁、大坝及其他大型建筑,分布式光纤传感器必须一种新型光源以监测建筑忍受的形变和温度变化。然而,这种少见的光纤传感器——基于受激布里渊衍射(SBS)的非线性光学现象——受到难以克服的空间范围和分辨率的容许。目前,西班牙和瑞士的研究人员早已解决问题了这些艰难,他们研究出有了一种在较短的时间内需要在10公里的范围内,厘米级的空间分辨率下检测出有百万分之一的温度或形变变化的方法。该团队指出,该方案的分辨率之低使其需要在长距离的基础设施监控和更加仪器的生物医学环境中寻找用武之地。信号杂讯SBS光纤传感器通过发送到脉冲激光信号,即抽运脉冲,通过一定长度的光纤传播后与偏移传播的连续波(CW)探针激光束遇见。(实质上,为了避免某些系统误差,这些系统一般来说用于两个CW探针波,后用与光纤材料特性涉及的调制频率将两列波区分开,即所谓的双边带上方法。)抽运脉冲与光纤的非线性相互作用产生受激布里渊衍射(SBS),非弹性斯托克斯和鼓吹斯托克斯衍射,这种衍射将不会转变脉冲光信号的频率分布。这种所谓的布里渊频移各不相同随形变和温度变化的光纤的材料性质;因此,可以通过对布里渊频移的分析来检测沿着光纤长度的那些参数的变化。一支西班牙与瑞士牵头研究团队设想将其改进光纤传感方法应用于大规模的基础设施项目和生物医学监测中。

研究人员开发出跨度分辨率更高的光纤传感器

(图片来源:美国光学学会)虽然基于SBS的光纤传感早已在各种基础设施的建设中寻找了用武之地,但它依然不存在一些问题。其中一个问题就是监测范围受限。最近的分析表明,跨度约数公里的分析仪所必须的功率(以及光纤所不受形变和温度变化)可能会使抽运脉冲信号杂讯,严重影响对布里渊频移的准确观测。另一个问题是受限的空间分辨率。因为SBS依赖非线性的光与物质相互作用以产生声波,因此在时域技术中不存在空间分辨率上微小但十分显著的时滞。在频率和涉及域中的其他技术需要填补SBS的缺点,但必须的时间更加幸——测量沿光纤产于的一百万个点约必须一个小时或更长的时间。关于扫瞄的问题西班牙与瑞士的牵头研究团队,以及西班牙阿尔卡拉大学和瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)的科学家们或许早已寻找了解决问题这些问题的方法。他们通过深入研究信号扫瞄的实际细节,进而得出结论与形变或温度变化涉及的布里渊频移。在大多数时域下基于SBS的光纤传感方案中,频移是通过平面地扫瞄两个边带观测光束相对于相同抽运脉频率的位移来确认的。然而,事实证明,这种扫瞄方法是低分析仪功率下脉冲失知道主要来源。这是因为两个分析仪边带和抽运脉冲之间无法分析的不平面能量传递——随着分析仪功率的减少而减少的效应。牵头研究团队找到,通过转变扫瞄方法,使得边带观测光束维持相同的频率劣(与光纤的斯托克斯和鼓吹斯托克斯频率涉及),并且用关联频率对输出抽运波束扫瞄——这需要明显减少信号杂讯。这种方法意味著观测光束功率下限显得更高,进而光纤传感系统的跨度显得更长。此外,通过避免抽运脉冲中的信号杂讯,该系统也具备了更高的空间分辨率。

研究人员开发出跨度分辨率更高的光纤传感器

在新技术中,并非用于比较相同频率抽运脉冲展开扫瞄,而是使两个边带观测光束在斯托克斯和鼓吹斯托克斯频率下保持稳定,从而避免了抽运脉冲中的电位杂讯。在必要的频率范围内对抽运脉冲展开扫瞄以获得布里渊频率响应。(图片由A.Dominguez-Lopez等获取)分辨率平均一厘米研究人员用差分脉冲宽度对,布里渊光学时域分析(DPP-BOTDA)实验测试了10千米宽的单模光纤。他们找到,该方法需要观测沿光纤产于的一百万个点的布里渊频移,分辨率平均一厘米,并且需要在光纤的远端检测到3厘米的“热点”。而且,由于系统维持在时域,该方法需要在20分钟内构建这些功能,近多于在用于频率涉及域方法时所花费的时间。该研究团队指出,除了基础设施中的应用于之外,该技术还可以在其他领域中用于。新闻稿的主要作者,阿尔卡拉大学的AlejandroDominguez-Lopez声称:“由于我们享有如此大的监测点密度,传感器也可以用作诸如航空电子和航空航天等领域,借以监控每一寸飞机机翼。”研究人员们还指出,该系统的较高分辨率也许能增进某些生物医学应用于发展,例如检测乳腺癌中不存在的温度偏差。