基于线性光采样接收的长距离高空间分辨率光反射仪技术研究

Optical fiber sensing technology, one of the most important intelligent monitoring methods, is expected to be massively used in many national strategic fields such as intelligent city, national security, energy safety, and intelligent ocean. Researches on performance improvement of optical reflectometry, the core technology of distributed fiber sensors, are now driven by many high-end applications such as locating the damaged optical devices of optical networks by remotely reading optical identifications (OIDs). The key R&D direction of improving the spatial resolution and measurement distance of optical reflectometry is to improve the performance of swept optical source, or to improve the optical receiving system. In this project, we aim to research on improving the optical reflectometry with long distance and ultra-high spatial resolution by improving the performance of receiving system, based on using linear optical sampling technology with ultra-large bandwidth for receiving signals. We aim to solve two key scientific problems of “limitation factors of system performance” and “optical pulse damage mechanism during propagation and its prevention methods”, and research on “high speed optical sampling technology”, “compensation of dispersion and nonlinear effect of the proposed system”, “elongation, coding, and demodulation of the ultra-short optical pulse” and “noise analysis of proposed system and methods to mitigate the influence of noise”. The goal of our researches is to break the limit of electronic bottleneck of optical reflectometry, and to realize a reflectometry system with a measurement range larger than 40 kilometers, and a spatial resolution of better than 300 micrometers.

光纤传感技术作为最重要的一种智能监测手段，有望大规模应用于智慧城市、国家安全、能源安全、智慧海洋等国家重大战略领域。光反射仪技术作为分布式光纤传感器核心技术，其在性能上的追求被众多高端应用需求驱动，例如通过远程读取光学识别码来定位光网络中受损器件。研究更高性能的扫频光源或者接收系统是提高光反射仪空间分辨率和探测距离的研究重点和发展方向。本项目采用提高接收系统性能的技术路线，基于拥有超高带宽接收性能的线性光采样接收技术，开展长距离高空间分辨率光反射仪技术研究。拟通过解决“系统性能制约容限”以及“光脉冲传输损伤机制及损伤预防机理”两大关键科学问题，研究“高速线性光采样技术”、“系统色散和非线性效应补偿”、“超短脉冲的拉伸编码和解调”以及“系统噪声分析和降噪处理”，目标为突破现有光反射仪技术所受的电子瓶颈限制，实现传感距离大于40千米、空间分辨率优于300微米的光反射仪系统。

项目基于线性光采样技术具有超大测量带宽，以及能同时探测强度和相位信息的特点，应用于接收光反射仪的散射光及反射光信号，解决了传统光反射仪技术难以同时实现高空间分辨率和长测量距离的问题。基于超短脉冲光时域反射仪技术的方案实现10千米测量距离下340微米的空间分辨率；基于脉冲压缩光反射仪技术的方案，采用色散效应对超短脉冲进行调制，增大线性啁啾范围至700GHz，结合线性光采样技术以及相位编码技术实现150米距离下120微米空间分辨率。.对于项目的核心内容“线性光采样技术”，我们进一步做了开放性的研究拓展。首先，项目实施过程中我们对线性光采样技术获得全新理解，认为采样光源并不需要是周期脉冲光源，受任意重复波形调制的光源均可作为采样光，从频域可以理解为双光梳干涉过程，进而提出可采用任意周期信号作为采样信号的新型广义线性光采样理论。新理论指导下的新方法避免了使用锁模激光器，极大简化了系统构成。对于项目的另一项核心内容“光反射仪”，我们对其应用领域分布式光纤传感也进行了开放性研究拓展。研究了具有优化反射率的弱反射点阵列，实现比普通光纤作为感知器件更为优异的传感性能，结合光反射仪技术实现探测距离50千米，最高可探测频率为25kHz的高频率响应系统；项目实施过程中我们注意到光反射仪测量的瑞利散射图案受到光源波长的影响，因此可以反过来通过光纤的瑞利图案来测量光源的波长，基于上述原理我们实现量程范围80nm，分辨率达40am的光波长测量。.本项目研究期间共发表30篇期刊论文，其中SCI期刊27篇，中文期刊3篇；发表国际会议论文13篇；申请5项国家发明专利；培养硕士研究生6人，博士研究生6人，培养学生获评2018年上海交通大学优秀博士论文、2020年上海交通大学优秀博士论文提名以及2020年中国电子教育学会优秀博士论文提名。