基于双布里渊峰光纤的多参数分布式光纤传感技术研究

作者及机构
本研究的核心团队来自美国国家能源技术实验室（National Energy Technology Laboratory, NETL）及其合作机构，包括Nageswara Lalam（第一作者）、Hari Bhatta、Xiaoguang Sun（OFS Fitel公司）、Paul Ohodnicki（匹兹堡大学）、Michael P. Buric以及通讯作者Ruishu Wright。研究成果发表于光学领域权威期刊《Optics Express》2023年10月第31卷第22/23期。

学术背景

研究领域与动机
布里渊光时域分析（Brillouin Optical Time Domain Analysis, BOTDA）技术因其长距离（可达数十公里）、高空间分辨率（米级至厘米级）的应变/温度分布式监测能力，在油气管道、桥梁等基础设施健康监测中具有重要应用。然而，传统单模光纤（SMF）存在应变与温度的交叉敏感性难题，导致无法实现多参数 discriminative measurement（区分测量）。尽管已有多种解决方案（如双光纤并行部署、双芯光纤等），但均存在成本高、信噪比低或测量误差大等缺陷。本研究旨在通过设计一种新型双布里渊峰光纤（Double-Brillouin Peak Fiber, DBPF），解决现有技术的核心瓶颈。

关键科学问题
1. 交叉敏感性：传统SMF的布里渊频移（Brillouin Frequency Shift, BFS）同时响应应变和温度变化，需通过多峰分离实现解耦。
2. 高阶声模增益不足：现有多峰光纤（如大有效面积光纤LEAF）的第二布里渊峰增益较弱，导致长距离监测时信噪比恶化。
3. 系数差异小：不同声模的应变/温度灵敏度系数接近时，测量误差会被放大。

研究方法与流程

1. 光纤设计与制备

创新点：通过GeO₂/F₂共掺杂和阶梯式折射率剖面设计，增强高阶声模（第二峰）的布里渊增益，使其与基模（第一峰）增益振幅差异<10%（LEAF的差异达4.7 dB）。
- 声光耦合优化：通过求解标量波动方程（公式5-6），调控光纤核心的几何结构与掺杂分布，使高阶轴向声模与基模光场重叠积分最大化（公式4）。
- 频域分离：两峰频率间隔达505 MHz（模拟值510 MHz），避免频谱重叠。

2. 实验系统搭建

采用BOTDA系统（图2）：
- 光源：1550 nm分布式反馈激光器（DFB），经马赫-曾德尔调制器（MZM）生成脉冲泵浦光和连续探测光。
- 信号处理：偏振扰模器（PS）抑制偏振波动，2 MHz频率步进扫描，2000次平均提升信噪比。
- 测试光纤：对比DBPF、LEAF和SMF的BGS（Brillouin Gain Spectrum）特性。

3. 性能标定

• 单参数标定：分别施加0–2040 με应变（恒温）和22–95°C温度（恒应变），记录两峰BFS变化（图7）。
  
• 灵敏度矩阵：
  [ S_{DBPF} = \begin{bmatrix} 1.1551 & 0.0471 \ 1.3762 & 0.0517 \end{bmatrix} \text{(单位: MHz/°C, MHz/με)} ] 两峰温度系数差异达0.22 MHz/°C，显著优于LEAF（0.1 MHz/°C）。

4. 同步测量验证

在1米光纤段同时施加1220 με应变和62°C/72°C温度，通过逆矩阵法（公式7）解算参数，误差仅±13 με和±0.5°C（图9）。

主要结果

1. BGS特性（图3, 表1）：

   • DBPF两峰振幅差0.47 dB（LEAF为4.7 dB），频移误差低至0.01–0.02 MHz（LEAF为0.09–0.42 MHz）。
     
   • 25 km长距离测试中，DBPF的BFS不确定性几乎无增长（图5b），而LEAF的高阶峰误差显著恶化。
     

2. 灵敏度优势（表2）：

   • DBPF的应变系数差达4.6 kHz/με，温度系数差221 kHz/°C，为解耦提供充分条件。
     
   • LEAF因高阶峰增益弱，实际应用受限。

3. 工业适用性：

   • 无需复杂监控装置（如拉曼/瑞利混合系统），仅需常规BOTDA设备即可实现多参数测量。
     

结论与价值

科学价值：
- 首次通过声光场重叠积分优化，实现双布里渊峰增益均衡化，为特种光纤设计提供新范式。
- 提出“大频移间隔+高系数差异”的灵敏度矩阵优化策略，突破交叉敏感性限制。

应用价值：
- 适用于天然气管道等长距离基础设施监测，可提前预警形变或温度异常。
- 误差水平（±13 με/±0.5°C）满足工业级精度需求，成本低于双光纤方案。

研究亮点

1. 材料创新：GeO₂/F₂共掺杂与多阶折射率剖面设计，使第二峰增益提升至基模的90%。
   
2. 方法革新：通过BFS不确定性模型（公式8）量化长距离误差，证明DBPF的稳定性。
   
3. 工程兼容性：直接兼容现有BOTDA系统，无需改造硬件即可部署。

局限性：当前实验限于100米短距离验证，需进一步测试数十公里级性能。作者建议后续研究聚焦于掺杂工艺规模化生产中的一致性控制。

（注：本文涉及的专业术语如BOTDA、BFS等在首次出现时均标注英文原词，后续使用中文简称。）