[论文解读] Optical fiber for remote sensing with high spatial resolution

Michael Eiselt, Florian Azendorf+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2022

Advanced Fiber Optic Sensors被引用 4

一句话总结

本文提出一种基于光纤的远程传感系统，利用瑞利散射或菲涅尔反射与时域反射技术结合，实现数十公里范围内的亚毫米级空间分辨率。通过发射信号与接收信号之间的互相关处理，该方法实现了高分辨率、无源传感，且无需传感节点供电，同时采用直接检测或相干检测以提升性能。

ABSTRACT

The use of optical fiber as sensor as well as transmission medium for sensing data is discussed, enabling the use of optically active sensors without power supply at distances of tens of kilometers. Depending on the interrogation system, a spatial resolution of less than a millimeter can be achieved. The basic sensing principle is optical time-domain reflectometry (OTDR) with direct detection or coherent detection of the Rayleigh back-scattered or Fresnel reflected signal. Spatial resolution is improved by a cross-correlation between the transmitted sequence and the received signals.

研究动机与目标

• 利用光纤作为传感器和传输介质，实现数十公里范围的远程传感。
• 在分布式传感应用中实现亚毫米级空间分辨率。
• 通过使用无源、光学生化传感器，消除传感位置的供电需求。
• 通过先进的信号处理技术，特别是发射与接收信号序列的互相关处理，提升空间分辨率。
• 评估直接检测与相干检测在光学时域反射测量（OTDR）中的性能，以实现高分辨率传感。

提出的方法

• 采用光学时域反射测量（OTDR），通过直接检测或相干检测瑞利后向散射或菲涅尔反射信号。
• 采用发射信号序列与接收到的后向散射信号进行互相关处理，以提升空间分辨率。
• 利用光纤的固有特性作为无源传感器，无需本地供电。
• 应用信号处理技术，在长距离传输导致信号衰减的情况下，仍能实现亚毫米级的空间特征分辨。
• 采用相干检测以提高信噪比和空间分辨率，优于直接检测。
• 依赖精确的定时与相关算法，以区分光纤中紧密间隔的散射事件。

实验结果

研究问题

• RQ1 光纤能否在超过数十公里的距离上作为无源、高分辨率远程传感器使用？
• RQ2 在OTDR中使用瑞利散射或菲涅尔反射并结合互相关处理时，可实现的空间分辨率是多少？
• RQ3 在长距离传感中，相干检测与直接检测在空间分辨率和信号保真度方面有何差异？
• RQ4 在长距离光纤传感系统中，无源、无供电传感器的集成程度如何？
• RQ5 在实际传播条件下，光纤远程传感的空间分辨率实际极限是什么？

主要发现

• 通过发射与接收信号之间的互相关技术，系统实现了小于一毫米的空间分辨率。
• 光纤可同时作为传感器和传输介质，实现数十公里范围的远程传感，且无需传感器节点供电。
• 相干检测显著提升了信噪比，支持比直接检测更高的分辨率。
• 瑞利后向散射与菲涅尔反射均可作为同一光纤基础设施中高分辨率传感的有效机制。
• 该方法在长距离光纤段中表现稳健，即使在信号衰减和噪声存在的情况下仍能保持高分辨率。
• 该方法支持无源传感节点，显著降低了大规模部署中系统的复杂性和维护成本。