《Optical Fiber Technology》：Acoustic vibration sensing using hollow-core optical fibers
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彼得·德贾达尔（Petr Dejdar）|安德烈·博罗德金（Andrei Borodkin）|奥德雷·莫克里（Ondrej Mokry）|托马斯·霍尔瓦特（Tomas Horvath）|帕维尔·洪扎特科（Pavel Honzatko）|彼得·蒙斯特（Petr Munster）摘要
彼得·德贾达尔（Petr Dejdar）|安德烈·博罗德金（Andrei Borodkin）|奥德雷·莫克里（Ondrej Mokry）|托马斯·霍尔瓦特（Tomas Horvath）|帕维尔·洪扎特科（Pavel Honzatko）|彼得·蒙斯特（Petr Munster）
摘要
由于具有较低的有效折射率和减小的非线性，空心芯光纤提供了独特的优势。本文通过实验研究了两种不同包层和涂层厚度的嵌套无反共振光纤（NANF）的声学灵敏度，并将其性能与标准单模光纤（SMF28）进行了比较。使用外差马赫-曾德尔干涉仪在高度受控的声学条件下（包括在无回声室和定制的声学封闭环境中进行测量）对光纤进行了表征，测量范围为0.3–7 kHz。观察到了卷绕光纤的基本呼吸模式共振，并利用这一现象实现了共振光纤麦克风。此外，空心芯光纤的独特内部结构使其能够调节声学响应，非常适合在空间受限的应用中使用。语音传输指数和频率选择性信噪比分析揭示了该传感系统的低通特性以及对相位过调的敏感性。这些发现表明，虽然空心芯光纤的设计对其固有的声学响应有很大影响，但在实际安装环境中，来自支撑物（例如天花板瓷砖）的声学振动最终主导了声学响应。
引言
近年来，利用光纤进行声学和振动传感的技术发展迅速，这主要得益于基于相干瑞利后向散射和相位敏感光时域反射测量（Φ-OTDR）的分布式声学传感（DAS）系统的开发。通过将数十公里的标准通信光纤转换为密集的虚拟传感点阵列，DAS能够实时监测微弱的机械扰动，并具有米级空间分辨率。这类系统已应用于交通和铁路监控、结构健康诊断、周界防护、管道监测和地震观测[1] [2]。最近的综述强调了基本原理（询问、解调和数据结构）以及先进信号处理和机器学习在复杂环境中提高检测和分类性能的作用[2]。
尽管DAS具有出色的空间覆盖范围，但许多实际场景需要高灵敏度的点式或准分布式传感，并且需要良好的光机械耦合[3] [4]。然而，DAS技术并不适用于空心芯光纤，因为光模式主要在空气中传播，这大大抑制了瑞利后向散射，并限制了相位敏感检测所需的应变诱导折射率调制。干涉技术，特别是马赫-曾德尔和迈克尔逊配置，由于其出色的相位分辨率和检测光路径长度变化的能力，仍然非常适用于此类应用[5]。
空心芯光纤（HCF）通过将光主要限制在空气芯内，扩展了基于光纤的传感能力，从而最小化了非线性效应和传播延迟，同时提供了宽的低损耗传输带以及与周围环境的独特光机械耦合。在光通信中，这些特性已被用于超低延迟链接；相同的物理特性，如低有效折射率、最小的玻璃-光相互作用以及工程化的包层设计（如光子带隙、抗共振和负曲率结构），使得HCF成为各种传感应用的理想候选者[6] [7]。
本文重点评估了HCF的声学灵敏度。这对于包括安全、计量或太空在内的不同应用领域至关重要。虽然已知HCF的光路径长度对温度变化的敏感性明显低于标准光纤[8]，但它们对声学信号的响应仍很大程度上未被探索。在这个实验中，我们测量了在光子学与电子学研究所（IPE）制造的两种类型HCF的声学灵敏度，并将其与标准单模光纤（SMF）进行了比较。
使用马赫-曾德尔干涉仪（MZI）设置实验评估了HCF的灵敏度。IPE团队测量了放置在隔离声学箱内的HCF的固有声学响应，而布尔诺技术大学（BUT）的团队则研究了安装在矿物天花板板上的基于HCF的声学传感器的信号可懂度。
本文的其余部分组织如下：第2节回顾了利用光纤进行声学和振动传感的最新技术，重点介绍了空心芯光纤技术和干涉方法。第3节描述了所采用的方法论，包括干涉配置、声学测量环境和信号处理技术。第4节介绍了实验设置。第5节分析和讨论了测量结果，重点关注了实际安装中的光纤固有灵敏度和系统级性能。最后，第6节总结了主要发现，并概述了这项工作对未来使用空心芯光纤进行声学传感应用的启示。
在本文中，声压机械地变形了光纤结构，改变了外差MZI传感臂中的光路径长度。这产生了光载波的相位调制，表现为外差拍频周围的声学边带。在HCF中，响应主要由包层和涂层的机械柔顺性决定，这解释了它们与标准SMF相比的不同灵敏度。
章节片段
最新技术
在HCF中，光通过气体介质而不是固体玻璃传播，这通过降低有效折射率来减少延迟，抑制了克尔（Kerr）、拉曼（Raman）和布里渊（Brillouin）非线性效应，并允许宽的低损耗传输，延伸到短波红外区域[9]。光在空心芯内的传播还减轻了与后向散射相关的损伤。这些优势已被用于专门的低延迟通信链接，并正在探索未来的应用
方法论
为了研究所研究的空心芯光纤的声学响应和传感潜力，采用了结合实验和数值的方法。本节介绍的方法论概述了测量设置的设计、信号采集过程和数据评估策略。特别关注确保重复性以及隔离外部声学和机械干扰的影响。以下小节描述了干涉技术
IPE设置
使用外差马赫-曾德尔干涉仪（图6）测量了光纤对声压的灵敏度。作为信号源的是一台波长为1040 nm、相干长度为9.5 km的连续波（CW）激光器（Toptica CTL1060）。信号通过50/50光纤耦合器对称地分成干涉仪的两个臂。传感臂包括放置在另一个实验室的声学箱中的FUT，以防止声波与
结果与讨论
图13展示了使用IPE设置测量的10米长空心芯光纤NOJ80的边带水平，该光纤的直径D为12厘米。NOJ80的光纤包层管壁厚度为14 μm，涂层直径为235 μm，在5.9 kHz的频率下表现出明显的共振。我们确定这种振动是直径为D的光纤环的基本呼吸（伸展）模式，其频率为f = πD/eff，其中eff是涂层中的有效声速。
结论
本文深入探讨了使用空心芯光纤进行声学振动传感的特性。测量使用了两种不同的实验设置。第一种设置用于测量光纤的固有声学响应，第二种设置评估了光纤在实际安装（如矿物天花板板和电缆托盘）上的响应。
实验结果表明，空心芯光纤表现出良好的声学灵敏度
CRediT作者贡献声明
彼得·德贾达尔（Petr Dejdar）：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、软件、方法论、概念化。安德烈·博罗德金（Andrei Borodkin）：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、资源、方法论、调查、形式分析、数据管理、概念化。奥德雷·莫克里（Ondrej Mokry）：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、软件、方法论、形式分析、数据管理。托马斯·霍尔瓦特（Tomas Horvath）：撰写 –
利益冲突声明
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