CN106525096A - 一种布里渊分布式光纤传感器及减小增益谱线宽方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种布里渊分布式光纤传感器及减小增益谱线宽方法，光产生单元产生的连续光通过第一调制放大单元得到相位调制信号，然后该相位调制信号通过第二调制放大单元产生泵浦光脉冲信号，泵浦光脉冲信号经过环行器注入传感光纤的始端；另一边路的连续光通过第三调制放大单元得到抑制载波的双边带信号，光信号通过滤波器滤出斯托克斯光或反斯托克斯光后由光电探测器转化为电信号。本发明能够在不恶化系统空间分辨率的前提下实现更窄的布里渊增益谱和更高的温度分辨率以及更长的传感距离。
Description
技术领域
本发明涉及分布式光纤传感器领域，尤其是一种减小分布式受激布里渊温度或应变传感器增益谱线宽的方法。
背景技术
长距离、分布式的温度或应力检测，在智能电网线路的温度或荷载监控，森林、公路、铁路、隧道等的防火预警，建筑结构健康监控等，重要防护区域、通信或输油管线、交通线路以及重要国境线入侵预警、油气管线渗漏等领域具有重大应用需求，从而得到学术界、产业界长期、深入的研究。目前可实现长距离分布式检测的技术主要分为“点”式准分布式传感器和基于光纤的分布式传感器。
传统的基于电子器件的“点”式应变片式温度应变传感器难以满足上述应用要求。其提取的是电信号，很容易受到周围电磁场的干扰。电力电缆、石油管线短则几十公里，长则数百、上千公里，或者经过气候恶劣的无人区、潮湿的环境，周围环境湿度、温度的无常变化都对采集的电信号产生极大的干扰，甚至提供错误的信息。另一方面，“点”式传感器只能探测极其狭窄一段的区域参量变化，相对于数百、上千公里的电力电缆、石油管线，需要安装成千上万个传感器，成本太高且工程技术上很难实施。
光纤分布式温度应力传感器的传感部分即光纤本身，具有成本低廉，不受电磁干扰，能进入狭小空间等诸多优势，被业界普遍认为是测量温度和应力的最理想的分布式传感器。光纤分布式温度应力传感器主要利用脉冲在光纤中的瑞利散射光、布里渊散射光或拉曼散射光来携带空间分布式信息，进而达到分布式传感的目的。
基于上述三种散射类型的光纤分布式传感器，包括瑞利光时域反射计（OpticalTime Domain Reflectometry, OTDR），拉曼光时域反射计（Raman Optical Time DomainReflectometry, RODTR）以及布里渊光时域反射计（Brillouin Optical Time DomainReflectometry, BOTDR），由于脉冲本身经历0.2 dB/km的光纤衰减，其散射光再次经历同样的衰减回到光纤前端被接收机接收，最终被探测信号总共经历了较大的0.4 dB/km的衰减，从而限制了系统的传感距离。1989年Horiguchi等人首次提出了布里渊光时域分析技术（Brillouin Optical Time Domain Analysis, BOTDA），引入反向传输的连续探测光与正向传输的脉冲进行受激布里渊作用来携带分布式信息，最终被探测信号总共只经历0.2dB/km的衰减。因此，BOTDA相比于其他分布式传感技术，具有传感距离更长的显著优势，自提出以来就得到广泛的关注和研究。欧洲POLYTECH（抗自然灾害技术）计划将其列为重点研究课题；加拿大自然科学基金（NSERC）最近几年至少10次立项来研究相关技术；日本高校、研究所和工业界都纷纷开展了该领域的研究和开发。
而最初基于单脉冲的BOTDA方案由于受到声子弛豫的限制，脉冲宽度不可能小于声子弛豫时间，否则会导致声子达不到稳态，造成信噪比下降，布里渊增益谱展宽，频率分辨率降低，这样极大地限制了空间分辨率的进一步提高。近年来，一种基于差分脉冲对法的BOTDA传感器（DPP-BOTDA）应运而生，该方法使用具有微小脉冲宽度差的两对泵浦脉冲对传统的BOTDA方案测量两次，两次测量信号的差即为该微小差分脉冲所对应的布里渊增益。该方案在理论上可以得到极致的空间分辨率，并且避免了由于短脉冲导致的布里渊增益谱展宽问题以及声子弛豫的限制，这些优异的特性都使得DPP-BOTDA系统一度成为理想的分布式传感器。
尽管传统DPP-BOTDA系统的布里渊增益能够保持极限的布里渊线宽（～30 MHz）以及极致的空间分辨率，但是其布里渊增益谱线宽无法进一步被压缩，并且由于差分脉冲的信号比较弱导致在非热点区域信噪比也比较弱，使得非热点区域的布里渊频移测量误差加大。这使得基于受激布里渊效应的分布式传感器性能停滞不前，系统指标无法进一步大幅提升，也是该技术无法大规模商用化的根结所在。
发明内容
本发明目的在于提供一种频率分辨率高、传感距离长的布里渊分布式光纤传感器及减小增益谱线宽方法。
为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明所述传感器主要包括用于产生泵浦光和探测光的光产生单元、第一调制放大单元、第二调制放大单元、第三调制放大单元、扰偏器、隔离器、传感光纤、环形器、滤波器以及光电探测器；
光产生单元分别与第一调制放大单元、第三调制放大单元的输入端连接；第一调制放大单元的输出端与第二调制放大单元接收端连接，第二调制放大单元的输出端经环形器与传感光线一端连接；光产生单元产生的泵浦光通过第一调制放大单元得到相位调制光信号，相位调制光信号通过第二调制放大单元被放大，放大的光脉冲信号通过环行器注入传感光纤一端；第三调制放大单元的输出端依次经过扰偏器、隔离器后连接在传感光线的另一端；光产生单元产生的探测光经过第三调制放大单元进行抑制载波的双边带调制得到包含斯托克斯光和反斯托克斯光的信号，再通过扰偏器与隔离器注入传感光纤另一端；环形器的输出端与滤波器、光电探测器顺次连接；光电探测器的输出端与示波器连接；
探测光与泵浦光在传感光纤内发生受激布里渊作用后通过环形器进入滤波器，滤波器将光信号滤出斯托克斯或反斯托克斯光信号后传输到光电探测器，光电探测器将光信号转化为电信号。
进一步的，所述光产生单元由激光器和光纤耦合器连接组成；激光器用于发射波长为1550nm、功率为16dBm的激光；光纤耦合器用于将激光器发射的激光分成泵浦光和探测光。
进一步的，所述光纤耦合器的分光比为50:50。
进一步的，所述第一调制放大单元为相位调制器；相位调制器对泵浦光信号进行相位调制，得到宽度为40ns的相移光信号。
进一步的，所述第二调制放大单元由第一光电调制器和光纤放大器连接组成；第一电光调制器对第一调制放大单元输出的相移光信号进行脉冲调制得到脉冲调制信号；该脉冲调制信号包含两个宽度为80ns的脉冲对信号，一个脉冲信号由40ns的相移光信号与40ns的0相移光信号组成，另一个脉冲信号为80ns的0相移光信号；光脉冲对信号经过光纤放大器进行信号放大。
进一步的，所述第三调制放大单元为第二电光调制器，用于将探测光调制为抑制载波的双边带信号；所述双边带信号包含斯托克斯光和反斯托克斯光。
本发明所述的减小受激布里渊效应增益谱线宽方法，步骤如下：
步骤1，光产生单元发出泵浦光和探测光；
步骤2，泵浦光经过第一调制放大单元、第二调制放大单元、环形器到达传感光线一端，泵浦脉冲信号被相位调制成0和两部分，且0和两部分都足够长以便保持激发的声波场能够恢复到稳态；
步骤3，探测光作为参考脉冲经过第三调制放大单元、扰偏器、隔离器后到达传感光线另一端，参考脉冲紧随泵浦脉冲进入传感光纤另一端；参考脉冲与泵浦脉冲在传感光纤中相遇激发受激布里渊散射；
步骤4，泵浦脉冲和参考脉冲的公共部分仅用于形成稳态的声子，在对探测光接受到的两次布里渊响应做差后，泵浦脉冲和参考脉冲的公共部分对探测光功率的影响相互抵消；
步骤5，当探测光遇到泵浦脉冲的相位部分时，此时布里渊散射光与探测光之间由相长干涉突变为相消干涉，探测光经历负的布里渊增益，当把泵浦脉冲和参考脉冲经历的响应做差后，得到的布里渊响应显剧提升，进而导致系统信噪比显剧提高；
步骤6，泵浦脉冲激发的相位声子会逐步趋向稳态，使得泵浦脉冲对对连续探测光的响应又慢慢正好相互抵消，通过滤波器滤出探测光的Stokes或Anti-Stokes边带，即可得知沿光纤长度分布的温度或者应力信息。
工作过程大致如下：
本发明的方案类似传统DPP-BOTDA系统，最后探测到的也是一对泵浦脉冲对的布里渊增益差。只不过本发明方案中的泵浦脉冲对不是由两个不同长度的单脉冲组成，而是由两个长度相同但相位不同的单脉冲组成。其中一个泵浦脉冲被相位调制成0和两部分且两部分都足够长去保持激发的声波场能够恢复到稳态，而另外一个参考脉冲则紧随其后直接进入传感光纤。该泵浦脉冲对经过EDFA的放大后和反向传输的探测光在传感光纤中相遇激发受激布里渊散射。此时由于两脉冲的公共部分仅用于形成稳态的声子，在对探测光接受到的两次布里渊响应做差后，泵浦脉冲和参考脉冲的公共部分对探测光功率的影响正好相互抵消。而当探测光遇到传感脉冲的相位部分时，此时布里渊散射光与探测光之间由相长干涉突变为相消干涉，探测光经历负的布里渊增益，当把泵浦脉冲和参考脉冲经历的响应做差后，本发明提出的方案得到的布里渊响应显剧提升，进而导致系统信噪比显剧提高。此后，传感脉冲激发的相位声子会逐步趋向稳态，使得泵浦脉冲对对连续探测光的响应又慢慢正好相互抵消。通过滤波器滤出探测光的Stokes或Anti-Stokes边带，即可得知沿光纤长度分布的温度或者应力信息。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、布里渊增益谱线宽只有～17 MHz，有效压缩布里渊增益谱。
2、在实现布里渊增益谱压缩的同时本发明的布里渊峰值响应介于30ns到40ns普通单脉冲方案的峰值响应之间，有效提升了系统信噪比。
3、在实现相同的系统空间分辨率的情况下，本发明的频率测量精度高于普通单脉冲方案。
附图说明
图1为本发明装置的系统结构框图。
图2为本发明方法的系统结构图。
图3为本发明方法的工作原理示意图。
图4为本发明与其他不同脉宽的普通单脉冲方案的布里渊增益谱仿真曲线。
图5为本发明方法的应用实例结构图。
图6（a）为本发明实施例与25 ns普通单脉冲实施例在20次独立重复实验下计算得到的平均布里渊线宽随传感光纤位置变化的示意图。
图6（b）为本发明实施例与25 ns普通单脉冲实施例在20次独立重复实验下计算得到的布里渊频率误差随传感光纤位置变化的示意图。
图7（a）为25 ns普通单脉冲实施例以2MHz的频率间隔扫描得到25 km长整条传感光纤上布里渊增益随频率和位置变化的三维俯视图。
图7（b）为本发明实施例以2MHz的频率间隔扫描得到25 km长整条传感光纤上布里渊增益随频率和位置变化的三维俯视图。
图8（a）为本发明实施例与25ns普通单脉冲实施例在非热点区域内布里渊增益谱的示意图。
图8（b）为本发明实施例与25ns普通单脉冲实施例拟合计算得到的两段2.5 m长且间隔2.5 m的两热点的布里渊频移变化的示意图。
附图标号： 1-光产生单元、2-第一调制放大单元、3-第二调制放大单元、4-第三调制放大单元、5-扰偏器、6-隔离器、7-传感光纤、8-环形器、9-滤波器、10-光电探测器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1所示，本发明所述传感器主要包括用于产生泵浦光和探测光的光产生单元1、第一调制放大单元2、第二调制放大单元3、第三调制放大单元4、扰偏器5、隔离器6、传感光纤7、环形器8、滤波器9以及光电探测器10；
光产生单元分别与第一调制放大单元、第三调制放大单元的输入端连接；第一调制放大单元的输出端与第二调制放大单元接收端连接，第二调制放大单元的输出端经环形器与传感光线一端连接；光产生单元产生的泵浦光通过第一调制放大单元得到相位调制光信号，相位调制光信号通过第二调制放大单元被放大，放大的光脉冲信号通过环行器注入传感光纤一端；第三调制放大单元的输出端依次经过扰偏器、隔离器后连接在传感光线的另一端；光产生单元产生的探测光经过第三调制放大单元进行抑制载波的双边带调制得到包含斯托克斯光和反斯托克斯光的信号，再通过扰偏器与隔离器注入传感光纤另一端；环形器的输出端与滤波器、光电探测器顺次连接；光电探测器的输出端与示波器连接；
探测光与泵浦光在传感光纤内发生受激布里渊作用后通过环形器进入滤波器，滤波器将光信号滤出斯托克斯或反斯托克斯光信号后传输到光电探测器，光电探测器将光信号转化为电信号。
进一步的，所述光产生单元由激光器和光纤耦合器连接组成；激光器用于发射波长为1550nm、功率为16dBm的激光；光纤耦合器用于将激光器发射的激光分成泵浦光和探测光。
进一步的，所述光纤耦合器的分光比为50:50。
进一步的，所述第一调制放大单元为相位调制器；相位调制器对泵浦光信号进行相位调制，得到宽度为40ns的相移光信号。
进一步的，所述第二调制放大单元由第一光电调制器和光纤放大器连接组成；第一电光调制器对第一调制放大单元输出的相移光信号进行脉冲调制得到脉冲调制信号；该脉冲调制信号包含两个宽度为80ns的脉冲对信号，一个脉冲信号由40ns的相移光信号与40ns的0相移光信号组成，另一个脉冲信号为80ns的0相移光信号；光脉冲对信号经过光纤放大器进行信号放大。
进一步的，所述第三调制放大单元为第二电光调制器，用于将探测光调制为抑制载波的双边带信号；所述双边带信号包含斯托克斯光和反斯托克斯光。
本发明所述的减小受激布里渊效应增益谱线宽方法，如图2所示，本发明方法最后探测到的是一对泵浦脉冲对的增益差。泵浦脉冲对是由两个长度相同但相位不同的单脉冲组成。其中一个泵浦脉冲被相位调制成0和两部分且两部分都足够长去保持激发的声波场能够恢复到稳态，而另外一个参考脉冲则紧随其后直接进入传感光纤。该泵浦脉冲对经过EDFA的放大后和反向传输的探测光在传感光纤中相遇激发受激布里渊散射。
如图3所示，此时由于两脉冲的公共部分仅用于形成稳态的声子，在对探测光接受到的两次布里渊响应做差后，泵浦脉冲和参考脉冲的公共部分对探测光功率的影响正好相互抵消。而当探测光遇到传感脉冲的相位部分时，此时布里渊散射光与探测光之间由相长干涉突变为相消干涉，探测光经历负的布里渊增益，当把泵浦脉冲和参考脉冲经历的响应做差后，本发明提出的方案得到的布里渊响应显剧提升，从而导致系统信噪比显剧提高。此后，传感脉冲激发的相位声子会逐步趋向稳态，使得泵浦脉冲对对连续探测光的响应又慢慢正好相互抵消。通过滤波器滤出探测光的Stokes或Anti-Stokes边带，即可得知沿光纤长度分布的温度或者应力信息。
本发明还包括若干个偏振控制器，偏振控制器用于控制所述光信号对齐所述第一相位调制器、第一电光调制器和第二电光调制器的调制效率最高的轴。
图4为本发明与其他不同脉宽的普通单脉冲方案的布里渊增益谱仿真曲线。从该图可以看到，随着脉宽的增加普通单脉冲方案的布里渊增益谱线宽减小，这是由于布里渊增益谱是由泵浦脉冲的频谱与布里渊30 MHz的本征增益谱的卷积。泵浦脉冲在时域上的展宽对应频域上的压缩。但是这种频谱的压缩一方面带来系统空间分辨率的严重恶化，另一方面它也无法突破30 MHz本征增益谱线宽的极限。而本发明却巧妙地通过两次布里渊增益相减从而在数学上得到了更窄的布里渊增益谱和更高的峰值增益。
下面通过具体实施例对本发明提出的技术方案进行详细的说明。
图5为本发明提出的一种布里渊分布式光纤传感器及减小增益谱线宽方法的应用实例图。
如图5所示，一波长为1550nm的窄线宽激光器输出16dBm的激光束，此后被50：50的耦合器分成两路，其中上边路的连续光先经过相位调制器（PM）做相位调制，然后通过电光调制器（EOM）后被调制成泵浦脉冲对，再经过EDFA放大后经环行器进入传感光纤的末端。而下边带的连续光先被电光调制器（EOM）调制为抑制载波的双边带信号，即包含斯托克斯和反斯托克斯频率的连续探测光，此后经绕偏器后通过一隔离器进入传感光纤，在传感光纤内与反向传输的泵浦脉冲对发生受激布里渊作用后经过环形器进入滤波器，连续探测光被滤出来的一个边带由光电探测器转化为电信号输出到示波器上。
传感光纤为一段长度为24.454 km的普通单模光纤组成，其在室温下的布里渊频率约为10.868 GHz。为了消除统计误差，25 ns普通单脉冲系统和本发明方案均进行了20次独立重复的实验。图6(a)画出了这20次独立重复实验的平均布里渊增益谱线宽随传感光纤位置变化的曲线，由此图可看出，25 ns普通单脉冲系统的布里渊线宽大约有51 MHz，而本发明提出的方案可以实现大约17 MHz的线宽，成功验证了本发明能够将布里渊增益谱线宽减小到普通单脉冲方案的1/3。此外，图6（b）是这20次独立重复实验测得的布里渊频移的标准差随光纤位置变化的曲线，从图中可看到，在相同的情况下本发明测得的布里渊频移（温度）误差要比25 ns普通单脉冲要小的多，表明本发明提出的方案能够测量更精确的分布式温度或应力信息，实现更小的频率（温度）误差。
为了进一步验证本发明在增益谱上的优势。下图7（a-b）给出了25 ns普通单脉冲实施例与本发明实施例以2 MHz的频率间隔扫描10.77 GHz到10.95 GHz的频率区间后得到的布里渊增益随位置和频率变化的三维俯视图。由图7（a）可见，25 ns普通单脉冲实施例的布里渊增益在频域上能量更加分散，颜色对比度更差，对应着其线宽更宽信噪比更弱。而由图7（b）可以看到，本发明的三维俯视图的能量更加集中，且与边缘无布里渊增益区域的颜色对比度更强，表明本发明有更窄的布里渊增益谱以及更高的布里渊增益。
为了验证本发明实施例并没有恶化系统的空间分辨率指标，实验过程中在传感光纤的尾端放置了两段长2.5 m且间隔2.5 m的两段加热区域，温度比室温高14度左右，图8（a）比较了两种方案在非热点区域的增益谱特性。由该图可知，本发明的增益谱在线宽和信噪比上具有明显的优势，其峰值增益是普通单脉冲方案的峰值增益的大概1.5倍，符合仿真结果。而图8（b）拟合了两种方案在两段热点区域附近的布里渊频移，两条曲线符合的很好表明两种方案都可很好地实现2.5 m的空间分辨率，两种方案具有相同的空间分辨率表明本发明并没有恶化系统空间分辨率指标。
本发明提供了一种布里渊分布式光纤传感器及减小增益谱线宽方法，首次在分布式布里渊传感领域将布里渊增益谱的～30 MHz 极限线宽进一步减小到～17 MHz的同时没有恶化系统空间分辨率指标。并且在实现同样空间分辨率的情况下，本发明的布里渊增益谱线宽是普通单脉冲方案的1/3但信噪比却是传统普通单脉冲方案的1.5倍。不仅于此，本发明的布里渊增益谱特性在高分辨率光谱仪、窄线宽光滤波器、布里渊放大器等领域也具有广阔的应用前景。因此，本发明必然会对布里渊相关领域的发展产生一定的影响，为推动分布式布里渊传感器的产业化提供便利。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (7)
1.一种分布式光纤传感器，其特征在于：所述传感器主要包括用于产生泵浦光和探测光的光产生单元、第一调制放大单元、第二调制放大单元、第三调制放大单元、扰偏器、隔离器、传感光纤、环形器、滤波器以及光电探测器；
光产生单元分别与第一调制放大单元、第三调制放大单元的输入端连接；第一调制放大单元的输出端与第二调制放大单元接收端连接，第二调制放大单元的输出端经环形器与传感光线一端连接；光产生单元产生的泵浦光通过第一调制放大单元得到相位调制光信号，相位调制光信号通过第二调制放大单元被放大，放大的光脉冲信号通过环行器注入传感光纤一端；第三调制放大单元的输出端依次经过扰偏器、隔离器后连接在传感光线的另一端；光产生单元产生的探测光经过第三调制放大单元进行抑制载波的双边带调制得到包含斯托克斯光和反斯托克斯光的信号，再通过扰偏器与隔离器注入传感光纤另一端；环形器的输出端与滤波器、光电探测器顺次连接；光电探测器的输出端与示波器连接；
探测光与泵浦光在传感光纤内发生受激布里渊作用后通过环形器进入滤波器，滤波器将光信号滤出斯托克斯或反斯托克斯光信号后传输到光电探测器，光电探测器将光信号转化为电信号。
2.根据权利要求1所述的一种分布式光纤传感器，其特征在于：所述光产生单元由激光器和光纤耦合器连接组成；激光器用于发射波长为1550nm、功率为16dBm的激光；光纤耦合器用于将激光器发射的激光分成泵浦光和探测光。
3.根据权利要求2所述的一种分布式光纤传感器，其特征在于：所述光纤耦合器的分光比为50:50。
4.根据权利要求1所述的一种分布式光纤传感器，其特征在于：所述第一调制放大单元为相位调制器；相位调制器对泵浦光信号进行相位调制，得到宽度为40ns的相移光信号。
5.据权利要求1所述的一种分布式光纤传感器，其特征在于：所述第二调制放大单元由第一光电调制器和光纤放大器连接组成；第一电光调制器对第一调制放大单元输出的相移光信号进行脉冲调制得到脉冲调制信号；该脉冲调制信号包含两个宽度为80ns的脉冲对信号，一个脉冲信号由40ns的相移光信号与40ns的0相移光信号组成，另一个脉冲信号为80ns的0相移光信号；光脉冲对信号经过光纤放大器进行信号放大。
6.根据权利要求1所述的一种分布式光纤传感器，其特征在于：所述第三调制放大单元为第二电光调制器，用于将探测光调制为抑制载波的双边带信号；所述双边带信号包含斯托克斯光和反斯托克斯光。
7.一种基于权利要求1的减小受激布里渊效应增益谱线宽方法，其特征在于，所述方法的具体步骤如下：
步骤1，光产生单元发出泵浦光和探测光；
步骤2，泵浦光经过第一调制放大单元、第二调制放大单元、环形器到达传感光线一端，泵浦脉冲信号被相位调制成0和两部分，且0和两部分都足够长以便保持激发的声波场能够恢复到稳态；
步骤3，探测光作为参考脉冲经过第三调制放大单元、扰偏器、隔离器后到达传感光线另一端，参考脉冲紧随泵浦脉冲进入传感光纤另一端；参考脉冲与泵浦脉冲在传感光纤中相遇激发受激布里渊散射；
步骤4，泵浦脉冲和参考脉冲的公共部分仅用于形成稳态的声子，在对探测光接受到的两次布里渊响应做差后，泵浦脉冲和参考脉冲的公共部分对探测光功率的影响相互抵消；
步骤5，当探测光遇到泵浦脉冲的相位部分时，此时布里渊散射光与探测光之间由相长干涉突变为相消干涉，探测光经历负的布里渊增益，当把泵浦脉冲和参考脉冲经历的响应做差后，得到的布里渊响应显剧提升，进而导致系统信噪比显剧提高；
步骤6，泵浦脉冲激发的相位声子会逐步趋向稳态，使得泵浦脉冲对对连续探测光的响应又慢慢正好相互抵消，通过滤波器滤出探测光的Stokes或Anti-Stokes边带，即可得知沿光纤长度分布的温度或者应力信息。
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