【仪表网 研发快讯】近日，光电信息学院唐明、赵志勇团队联合智利Universidad Técnica Federico Santa María研究人员提出了一种基于数字光频梳的频梳相关光谱反射仪分布式光纤声波传感技术。研究成果发表在国际顶尖期刊Light: Science & Applications上，题为“基于频梳谱相关分析仪的分布式光纤传感”(Frequency-comb enabled spectrum-correlation reflectometry for distributed fiber-optic sensing)。
 

　　该技术实现了高频率响应、强鲁棒性、高精度和大动态范围的协同优化，为分布式光纤传感领域开辟了一种全新的实施范式。学院2023级博士生林忠鸿为论文第一作者，赵志勇、唐明为共同通讯作者。
 

　　分布式光纤传感技术是地震监测、结构健康监测、能源管线安全监测等领域的重要技术手段。其中，基于瑞利散射频谱分析的分布式光纤传感方法能够通过解调散射光谱的频移精确表征外界扰动信息，是常用的高精度分布式定量测量技术。然而，现有频移解调型传感系统普遍依赖频率扫描机制，耗时的逐频扫描过程导致测量速度受限，难以满足高频振动监测场景需求；基于相位解调的方案虽具备较高响应频率，却容易受到相位缠绕和干涉衰落的影响，在大振幅扰动条件下可靠性不佳，动态范围受限。这些问题严重制约了相关技术在复杂动态环境中的进一步应用。
 

图1 频梳相关光谱反射仪方案原理图
 

图2 频梳相关光谱反射仪实验系统图
 

　　针对上述瓶颈，研究团队创新性地提出基于数字光频梳的频梳相关光谱反射仪技术。该技术引入数字光频梳作为并行光谱探测载体，利用光频梳多频并行、相干稳定的特性，实现对散射光谱的并行采样，从原理上消除了传统频率扫描过程，使系统的有效采样率不再受探测频率数量限制，突破了探测速度和动态应变测量范围难以兼得的关键瓶颈，系统的动态响应速度相比传统逐频扫描方案提升了一个数量级以上。
 

图3 对高频振动信号的测量结果
 

　　在该技术方案中，光频梳信号的设计和生成是纯数字的，因而具备可编辑性和高度的灵活性，能够通过改变参数配置满足不同传感场景下的性能需求，因而与现有分布式光纤传感系统有很好的兼容性。该方案单次测量即可获得宽带的瑞利散射光谱，其信号解调不依赖相邻采样点间的信号连续性，因而不受相位累积恢复过程的回转速率限制，系统对高频振动信号的应变测量范围相比传统的相位解调方案也实现了数量级的提升。
 

图4 瑞利散射光谱及光谱互相关结果随时间演化过程
 

　　该工作通过引入光频梳并行光谱探测与频率交织配置方案，从根本上突破了现有频移解调型分布式光纤传感领域内“速度—精度—稳定性”难以兼顾的技术瓶颈，提供了兼顾高速率、大范围、高精度与强鲁棒性的高性能分布式传感新范式。该成果为复杂动态环境下的高性能分布式光纤传感提供了新思路，未来有望在地震监测、重大工程结构健康监测以及能源与交通基础设施安全等领域发挥重要作用。
 

　　据悉，唐明、赵志勇团队长期致力于“传输与感知一体化”智能光网络、多维复用光纤传感等方向研究。近五年在Science Advances、Light: Science & Applications等期刊及国际顶级会议上发表多篇论文。取得的单波800 Gb/s自相干超高速光传输等代表性成果多次刷新世界纪录，连续入选光通信顶级会议PDP(Post-Deadline-Paper)论文 (OFC2020 PDP、ECOC2021 PDP和OFC2022 PDP)。