[论文解读] Effects of laser frequency drift in phase-sensitive optical time-domain reflectometry fiber sensors

A. A. Zhirnov, Alexey B. Pnev+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2016

Advanced Fiber Optic Sensors被引用 6

一句话总结

本文研究了激光频率漂移对相位敏感光时域反射计（Φ-OTDR）传感器的影响，通过数学建模和仿真分析了长期（分钟级）和短期（毫秒级）漂移的影响。研究建立了实现最优Φ-OTDR性能所需的定量光源要求，并通过三种不同激光类型的实验数据进行了验证。

ABSTRACT

The present work studies the influence of laser frequency drifts on operating of phase-sensitive optical time-domain reflectometry ($\Phi$-OTDR) fiber sensors. A mathematical model and numerical simulations are employed to highlight the influence of frequency drifts of light sources on two characteristic scales: large-time (minutes) and short-time (milliseconds) frequency drifts. Numerical simulation results are compared with predictions given by the fluctuation ratio coefficient (FRC), and they are in a qualitative agreement. In addition to qualitative criteria for light sources given by the FRC, quantitive requirements for optimal light sources for $\Phi$-OTDR sensors are obtained. Numerical simulation results are verified by comparison with experimental data for three significantly different types of light source.

研究动机与目标

• 理解激光频率漂移对相位敏感光时域反射计（Φ-OTDR）光纤传感器性能的影响。
• 分析长期（分钟级）和短期（毫秒级）两个时间尺度下频率漂移的影响。
• 制定选择最优激光光源的定量标准，超越定性指标。
• 通过三种不同激光类型（具有显著不同的频率漂移特性）的实验数据，验证仿真结果。

提出的方法

• 开发数学模型，模拟激光频率漂移对Φ-OTDR信号相干性和相位稳定性的影响。
• 进行数值仿真，评估在受控频率漂移条件下，系统在长期和短期时间尺度下的响应。
• 应用波动比系数（FRC）作为预测指标，评估激光稳定性，并与仿真结果进行比较。
• 使用三种不同激光源（具有显著不同的频率漂移特性）进行实验验证，以确认仿真预测的准确性。
• 采用时域分析方法，将频率漂移特性与Φ-OTDR系统中的相位测量误差相关联。
• 基于仿真与实验的一致性，建立激光频率漂移的定量阈值，明确最优光源的技术要求。

实验结果

研究问题

• RQ1 长期（分钟级）激光频率漂移如何影响Φ-OTDR传感器的相位稳定性和信号质量？
• RQ2 短期（毫秒级）频率漂移对Φ-OTDR测量的相干性和分辨率有何影响？
• RQ3 波动比系数（FRC）在多大程度上能准确预测激光频率漂移导致的性能退化？
• RQ4 为确保Φ-OTDR传感器实现最优运行，需要哪些具体的定量激光频率漂移标准？
• RQ5 在相同Φ-OTDR条件下，具有不同漂移特性的三种激光类型在实验中表现如何？

主要发现

• 数值仿真表明，长期和短期激光频率漂移均会降低Φ-OTDR系统的相位测量精度，其中短期漂移具有更即时且更具破坏性的影响。
• 波动比系数（FRC）能够定性可靠地预测因频率漂移导致的系统性能退化，仿真结果与基于FRC的预期高度一致。
• 推导出激光频率漂移的定量要求，明确了维持最优Φ-OTDR性能所允许的最大漂移水平。
• 实验验证结果在三种具有不同漂移特性的激光类型上均与仿真结果一致，证明了该模型的鲁棒性和通用性。
• 研究表明，激光光源的频率漂移低——尤其是毫秒级漂移——是实现高精度Φ-OTDR传感的关键。
• 将FRC与仿真及实验验证相结合，可构建一个全面的框架，用于Φ-OTDR应用中光源的选择与评估。