高空间分辨率长距离分布式光纤振动传感系统

### 高空间分辨率长距离分布式光纤振动传感系统 #### 相位敏感光时域反射仪(φ-GOTDR)概述 相位敏感光时域反射仪（Phase-Sensitive Optical Time Domain Reflectometer，简称φ-GOTDR）是一种重要的分布式光纤传感技术，能够实现对光纤沿线振动的实时监测。这种技术主要通过分析光纤中的瑞利散射光来获取信息，并能够对诸如温度、应变等物理量的变化做出响应。φ-GOTDR在石油天然气管道监控、边境安全、基础设施健康监测等领域有着广泛的应用前景。 #### 传统φ-GOTDR面临的挑战 在传统的φ-GOTDR系统中，传感距离和空间分辨率之间存在着一种固有的矛盾关系。具体来说，为了提高系统的空间分辨率，通常需要减小发射到光纤中的脉冲宽度；然而，当脉冲宽度减小时，传感距离也会相应地缩短。这一限制使得大多数φ-GOTDR系统在实现较长传感距离（例如大于10公里）的同时，其空间分辨率只能达到几米到几十米的水平，这对于某些需要更高精度的应用场景来说是不够理想的。 #### 扫频脉冲φ-GOTDR (FSP φ-GOTDR)技术介绍 针对上述问题，本研究提出了一种基于扫频脉冲的φ-GOTDR（Frequency Swept Pulse φ-GOTDR，简称FSP φ-GOTDR）。这种新型的φ-GOTDR技术通过采用扫频脉冲作为探测光源，并在接收端利用类似于匹配滤波的技术进行信号处理，从而有效解决了传感距离与空间分辨率之间的矛盾。 ##### 工作原理及关键技术 - **扫频脉冲的生成**：FSP φ-GOTDR的核心在于扫频脉冲的使用。通过任意波形发生器（AWG）结合压控振荡器（VCO）或直接使用高性能AWG来生成线性的扫频脉冲。在早期实验中，研究人员使用了Tektronix公司的AFG3252C任意波形发生器结合VCO来产生扫频脉冲，但由于VCO存在的非线性和温漂等问题，后续实验采用了更稳定的Tabor WS8352任意波形发生器。 - **信号处理**：接收端通过匹配滤波的方法处理接收到的瑞利背向散射信号，这有助于增强信号强度并提高信噪比。扫频脉冲经过匹配滤波后，其强度分布呈现为非常窄的sinc函数形状，其中3dB脉宽（即空间分辨率）与扫频范围成反比，而不是与脉冲宽度有关。 ##### 实验结果 - **实验装置**：实验中使用的扫频脉冲宽度为1.5μs，扫频范围为0~105MHz（受到信号发生器带宽的限制）。 - **性能指标**：在不使用中继放大器的情况下，该系统实现了75公里的传感距离和0.95米的空间分辨率。这一结果显著提高了φ-GOTDR系统的传感距离和空间分辨率。 - **进一步改进**：根据理论计算，在后续实验中如果使用采样率大于20GSa/s的采集卡、带宽大于1GHz的探测器以及扫频范围大于1GHz的脉冲，则可以将空间分辨率提升至1厘米级别。 #### 结论 FSP φ-GOTDR技术通过引入扫频脉冲和匹配滤波技术，成功解决了传统φ-GOTDR系统中传感距离与空间分辨率之间的矛盾，实现了更长的传感距离和更高的空间分辨率。该研究成果不仅为分布式光纤传感领域提供了新的解决方案，也为今后在更广泛领域的应用奠定了坚实的基础。