基于双频梳的光纤分布式声波传感(Comb-DAS)

MEMS 2024-02-27 00:02

01 导读

2024年1 月20日,电子科技大学信息与通信工程学院光纤传感与通信教育部重点实验室饶云江教授团队在光纤分布式声波传感关键技术研究方面取得了突破性进展。研究团队首次提出了基于双频梳的光纤分布式声波传感技术(DAS)新概念(Comb-DAS),通过将集成双克尔孤子微腔频梳与DAS结合,利用光频梳线天然的高度相干性,实现了光纤瑞利散射信号的波分复用相位并行叠加,取得了高达560 fε/√HZ的应变探测灵敏度。相较于常规DAS,实现了一个数量级的灵敏度提升,1.6倍的传感距离拓展和显著的相干衰落抑制。该研究为研发下一代超灵敏、超长距离的DAS系统提供了关键技术支撑。

图1 论文剪影

相关成果以“Coherently parallel fiber-optic distributed acoustic sensing using dual Kerr soliton microcombs”为题发表于《科学-进展》(Science Advances)杂志上。电子科技大学为论文第一作者单位,饶云江教授、姚佰承教授为论文通讯作者。

2024 | 前沿进展

02 研究背景

分布式光纤传感是一种以光纤为载体的分布式测量手段,可以对数十乃至上百公里范围内数十万点的物理信息(如温度、应变、声波等)进行连续的测量,而独树一帜。其中,基于光纤瑞利后向散射机理的分布式声波传感技术(DAS)因为其具有沿光纤链路能进行长距离声波高灵敏分布式感知的能力,从而成为一种不可替代的变革性声学/地震/振动传感技术,在油气勘探开发、安防入侵检测、地震台网探测、结构健康监测等领域有着广泛的应用。然而,目前基于单频激光源的常规DAS,其有限的入纤光功率导致了其信噪比和传感距离严重受限。此外,单频激光产生的相干衰落也是一个难题。上述问题已成为研发下一代超长距离、超高精度DAS系统的一个原理性瓶颈障碍。

片上孤子微梳是一种多频输出光源,由于其高精度、高相干和高集成的特性,可服务如光通信、光子计算、光学原子钟等多领域应用。同时,双频梳技术提供了将光学频率转换为射频的先进手段,被广泛应用于成像、测距、光谱等领域。近日,电子科技大学光纤传感与通信教育部重点实验室饶云江教授团队将集成双克尔孤子微梳与DAS结合进行相干并行传感。在该研究中,创造性地提出了相干合成相位解调方案,实现了DAS灵敏度、传感距离和抗衰落性能的全面提升。

图2 基于片上双光梳的DAS新方案

03 研究创新点

Comb-DAS工作原理:常规DAS中,外界声波会引起光纤瑞利散射信号的相位变化∆φ。在Comb-DAS相干并行传感中,每条梳线会携带相同的相位信息∆φ,并经过I-Q处理后最终累积起来。双孤子微梳的高相干性保证了所有的梳线具有相同的相位信息,所以,若有N根梳线的话,Comb-DAS的灵敏度便能提高N倍。实际情况中,∆φ大小与外界声波信号的幅度线性相关。因此,若∆φ为DAS的探测极限时,Comb-DAS的探测极限可从∆φ减小到∆φ/N,因而具备了检测极弱声波信号的能力。

图3 (A)单频激光DAS的相位信息示意图。(B)Comb-DAS的相位信息示意图。(C)梳线的数目和测量的相位变化的映射谱。(D)信号PSD谱对比图

Comb-DAS实验验证:研究者们在两个重复频率差为200 MHz的氮化硅微腔中产生一对克尔孤子频率梳(重复频率≈110 GHz),将其对应的十对梳线滤出形成具有十根梳线的一对频率梳,其中一组频率梳作为探测光,另一组则作为本振光,从而形成双频梳干涉仪。探测光在传输中获得外界声波信息后其回光与本振光发生干涉,无需高速光电探测器便可实现外差测量。通过基于频分复用的相干并行传感,与常规单频激光器相比,获得了10倍的灵敏度增强。实验中进行了传感距离为10 km,空间分辨率为5 m的Comb-DAS声波测量,并与基于单频光源的常规DAS进行对比,实验结果如图3所示。可以明显地看出Comb-DAS在各目标频率下的信号质量提升,获得了世界级的声学探测灵敏度,达到了560 fε/√HZ的水平。此外,Comb-DAS可在具有更低布里渊阈值的长光纤中实现更高的功率传输,使其最大传感距离从43公里扩展延长到72公里,延长1.6倍以上,且不需要任何如分布式光放大等额外的辅助手段。

图4 (A)传感信号时域对比图。(B)传感信号频域瀑布图。(C)传感信号PSD谱对比图。(D)传感距离对比图。(E)传感信号时域瀑布对比图

04 总结与展望

该研究报告了一种基于集成双孤子微梳的相干并行光纤分布式声传感新技术(Comb-DAS)。双频梳光源通过提供相位互锁多频信道,实现了传感信号的线性叠加、频分复用和高精度相位解调,并具有极大的灵敏度提升潜力。实验中,通过使用10条梳线进行传感,获得了亚皮应变的灵敏度,同时,频率复用的策略有效地抑制了相干衰落。此外,更高的入纤功率获得了更远的传感距离。双孤子微梳和DAS的结合不仅打破了当前DAS技术受限于单频激光源原理性限制,成为将微腔频率梳扩展到光纤传感领域的成功范例,而且还引入了一种能显著提升DAS性能变革性策略,即基于宽带频梳光源,可望为研发下一代超灵敏、长距离DAS系统提供核心技术支撑,为油气勘探开发、安防入侵检测、地震台网探测、结构健康监测等领域提供新一代的Comb-DAS仪器

论文链接:

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf8666

MEMS 中国首家MEMS咨询服务平台——麦姆斯咨询(MEMS Consulting)
评论 (0)
  • 在人工智能技术飞速发展的今天,语音交互正以颠覆性的方式重塑我们的生活体验。WTK6900系列语音识别芯片凭借其离线高性能、抗噪远场识别、毫秒级响应的核心优势,为智能家居领域注入全新活力。以智能风扇为起点,我们开启一场“解放双手”的科技革命,让每一缕凉风都随“声”而至。一、核心技术:精准识别,无惧环境挑战自适应降噪,听懂你的每一句话WTK6900系列芯片搭载前沿信号处理技术,通过自适应降噪算法,可智能过滤环境噪声干扰。无论是家中电视声、户外虫鸣声,还是厨房烹饪的嘈杂声,芯片均能精准提取有效指令,识
    广州唯创电子 2025-04-08 08:40 185浏览
  • 文/郭楚妤编辑/cc孙聪颖‍伴随贸易全球化的持续深入,跨境电商迎来蓬勃发展期,物流行业 “出海” 成为不可阻挡的必然趋势。加之国内快递市场渐趋饱和,存量竞争愈发激烈。在此背景下,国内头部快递企业为突破发展瓶颈,寻求新的增长曲线,纷纷将战略目光投向海外市场。2024 年,堪称中国物流企业出海进程中的关键节点,众多企业纷纷扬帆起航,开启海外拓展之旅。然而,在一片向好的行业发展表象下,部分跨境物流企业的经营状况却不容乐观。它们受困于激烈的市场竞争、不断攀升的运营成本,以及复杂的国际物流环境,陷入了微利
    华尔街科技眼 2025-04-09 15:15 74浏览
  •   物质扩散与污染物监测系统:环境守护的关键拼图   一、物质扩散原理剖析   物质扩散,本质上是物质在浓度梯度、温度梯度或者压力梯度等驱动力的作用下,从高浓度区域向低浓度区域迁移的过程。在环境科学范畴,物质扩散作为污染物在大气、水体以及土壤中迁移的关键机制,对污染物的分布态势、浓度动态变化以及环境风险程度有着直接且重大的影响。   应用案例   目前,已有多个物质扩散与污染物监测系统在实际应用中取得了显著成效。例如,北京华盛恒辉和北京五木恒润物质扩散与污染物监测系统。这些成功案例为物质
    华盛恒辉l58ll334744 2025-04-09 11:24 53浏览
  •   工业自动化领域电磁兼容与接地系统深度剖析   一、电磁兼容(EMC)基础认知   定义及关键意义   电磁兼容性(EMC),指的是设备或者系统在既定的电磁环境里,不但能按预期功能正常运转,而且不会对周边其他设备或系统造成难以承受的电磁干扰。在工业自动化不断发展的当下,大功率电机、变频器等设备被大量应用,现场总线、工业网络等技术也日益普及,致使工业自动化系统所处的电磁环境变得愈发复杂,电磁兼容(EMC)问题也越发严峻。   ​电磁兼容三大核心要素   屏蔽:屏蔽旨在切断电磁波的传播路
    北京华盛恒辉软件开发 2025-04-07 22:55 238浏览
  •   卫星图像智能测绘系统:地理空间数据处理的创新引擎   卫星图像智能测绘系统作为融合卫星遥感、地理信息系统(GIS)、人工智能(AI)以及大数据分析等前沿技术的综合性平台,致力于达成高精度、高效率的地理空间数据采集、处理与应用目标。借助自动化、智能化的技术路径,该系统为国土资源管理、城市规划、灾害监测、环境保护等诸多领域输送关键数据支撑。   应用案例   目前,已有多个卫星图像智能测绘系统在实际应用中取得了显著成效。例如,北京华盛恒辉北京五木恒润卫星图像智能测绘系统。这些成功案例为卫星
    华盛恒辉l58ll334744 2025-04-08 16:19 77浏览
  • ## DL/T645-2007* 帧格式:* 帧起始字符:68H* 地址域:A0 A1 A2 A3 A4 A5* 帧起始字符:68H* 控制码:1字节* 主站:* 13H:请求读电能表通信地址* 11H:请求读电能表数据* 1CH:请求跳闸、合闸* 从站:* 91H:正常应答读电能表* 9CH:正常应答跳闸、合闸* 数据域长度:1字节* 数据域:DI0 DI1 DI2 DI3* 发送方:每字节+33H* 接收方:每字节-33H* 数据标识:* 电能量* 最大需量及发生时间* 变量* 事件记录*
    四毛打印店 2025-04-09 10:53 51浏览
  • 在万物互联时代,智能化安防需求持续升级,传统报警系统已难以满足实时性、可靠性与安全性并重的要求。WT2003H-16S低功耗语音芯片方案,以4G实时音频传输、超低功耗设计、端云加密交互为核心,重新定义智能报警设备的性能边界,为家庭、工业、公共安防等领域提供高效、稳定的安全守护。一、技术内核:五大核心突破,构建全场景安防基座1. 双模音频传输,灵活应对复杂场景实时音频流传输:内置高灵敏度MIC,支持环境音实时采集,通过4G模块直接上传至云端服务器,响应速度低至毫秒级,适用于火灾警报、紧急呼救等需即
    广州唯创电子 2025-04-08 08:59 145浏览
  •     在研究Corona现象时发现:临界电压与介电材料表面的清洁程度有关。表面越清洁的介电材料,临界电压越高;表面污染物越多的地方,越容易“爬电”。关于Corona现象,另见基础理论第007篇。    这里说的“污染物”,定义为——可能影响介电强度或表面电阻率的固体、液体或气体(电离气体)的任何情况。    IEC 60664-1 (对应GB/T 16935.1-2023) 定义了 Pollution Degree,中文术语是“污染等
    电子知识打边炉 2025-04-07 22:06 103浏览
  •   卫星图像智能测绘系统全面解析   一、系统概述   卫星图像智能测绘系统是基于卫星遥感技术、图像处理算法与人工智能(AI)技术的综合应用平台,旨在实现高精度、高效率的地理空间数据获取、处理与分析。该系统通过融合多源卫星数据(如光学、雷达、高光谱等),结合AI驱动的智能算法,实现自动化、智能化的测绘流程,广泛应用于城市规划、自然资源调查、灾害监测等领域。   应用案例   目前,已有多个卫星图像智能测绘系统在实际应用中取得了显著成效。例如,北京华盛恒辉和北京五木恒润卫星图像智能测绘系统
    华盛恒辉l58ll334744 2025-04-08 15:04 92浏览
  • 曾几何时,汽车之家可是汽车资讯平台领域响当当的“扛把子”。2005 年成立之初,它就像一位贴心的汽车小助手,一下子就抓住了大家的心。它不仅吸引了海量用户,更是成为汽车厂商和经销商眼中的“香饽饽”,广告投放、合作推广不断,营收和利润一路高歌猛进,2013年成功在纽交所上市,风光无限。2021年更是在香港二次上市,达到了发展的巅峰,当年3月15日上市首日,港股股价一度高达184.6港元,市值可观。然而,如今的汽车之家却陷入了困境,业务下滑明显。业务增长瓶颈从近年来汽车之家公布的财报数据来看,情况不容
    用户1742991715177 2025-04-07 21:48 113浏览
  • HDMI从2.1版本开始采用FRL传输模式,和2.0及之前的版本不同。两者在物理层信号上有所区别,这就需要在一些2.1版本的电路设计上增加匹配电路,使得2.1版本的电路能够向下兼容2.0及之前版本。2.1版本的信号特性下面截取自2.1版本规范定义,可以看到2.1版本支持直流耦合和交流耦合,其共模电压和AVCC相关,信号摆幅在400mV-1200mV2.0及之前版本的信号特性HDMI2.0及之前版本采用TMDS信号物理层,其结构和参数如下:兼容设计根据以上规范定义,可以看出TMDS信号的共模电压范
    durid 2025-04-08 19:01 157浏览
  • 文/Leon编辑/cc孙聪颖‍转手绢、跳舞、骑车、后空翻,就在宇树、智元等独角兽企业率领“机器人大军”入侵短视频时,却有资本和科技大佬向此产业泼了一盆冷水。金沙江创投管理合伙人朱啸虎近日突然对人形机器人发难,他表示“最近几个月正在批量退出人形机器人公司”。“只是买回去做研究的,或者买回去做展示的,这种都不是我们意义上的商业化,谁会花十几万买一个机器人去干这些活?”朱啸虎吐槽。不过,朱啸虎的观点很快就遭到驳斥,众擎机器人的创始人、董事长赵同阳回怼道:“(朱啸虎)甚至问出了人形机器人在这个阶段有什么
    华尔街科技眼 2025-04-07 19:24 150浏览
  •   物质扩散与污染物监测系统软件:多领域环境守护的智能中枢   北京华盛恒辉物质扩散与污染物监测系统软件,作为一款融合了物质扩散模拟、污染物监测、数据分析以及可视化等多元功能的综合性工具,致力于为环境科学、公共安全、工业生产等诸多领域给予强有力的技术支撑。接下来,将从功能特性、应用场景、技术实现途径、未来发展趋势等多个维度对这类软件展开详尽介绍。   应用案例   目前,已有多个物质扩散与污染物监测系统在实际应用中取得了显著成效。例如,北京华盛恒辉和北京五木恒润物质扩散与污染物监测系统。这
    华盛恒辉l58ll334744 2025-04-09 14:54 91浏览
  • 文/Leon编辑/侯煜‍就在小米SU7因高速交通事故、智驾性能受到质疑的时候,另一家中国领先的智驾解决方案供应商华为,低调地进行了一场重大人事变动。(详情见:雷军熬过黑夜,寄望小米SU7成为及时雨)4月4日上午,有网友发现余承东的职务发生了变化,华为官网、其个人微博认证信息为“常务董事,终端BG董事长”,不再包括“智能汽车解决方案BU董事长”。余承东的确不再兼任华为车BU董事长,但并非完全脱离华为的汽车业务,而是聚焦鸿蒙智行。据悉,华为方面寻求将车BU独立出去,但鸿蒙智行仍留在华为终端BG部门。
    华尔街科技眼 2025-04-09 15:28 71浏览
  •     根据 IEC术语,瞬态过电压是指持续时间几个毫秒及以下的过高电压,通常是以高阻尼(快速衰减)形式出现,波形可以是振荡的,也可以是非振荡的。    瞬态过电压的成因和机理,IEC 60664-1给出了以下四种:    1. 自然放电,最典型的例子是雷击,感应到电力线路上,并通过电网配电系统传输,抵达用户端;        2. 电网中非特定感性负载通断。例如热处理工厂、机加工工厂对
    电子知识打边炉 2025-04-07 22:59 142浏览
我要评论
0
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦