基于斜坡輔助技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感

01 導(dǎo)讀

光纖布里淵分布式傳感技術(shù)利用光纖中布里淵散射光頻率對(duì)于溫度和應(yīng)變的依賴，可以實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變的分布式傳感，常常用于大型基礎(chǔ)設(shè)施的健康監(jiān)測(cè)。但是掃頻等費(fèi)時(shí)的采樣過程限制了系統(tǒng)采樣頻率，使得系統(tǒng)難以滿足動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)量的需求。

斜坡輔助技術(shù)利用布里淵散射譜斜坡的近似線性區(qū)域，使得接收信號(hào)的功率隨著布里淵頻移的改變而產(chǎn)生線性的變化，可實(shí)現(xiàn)高速動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感。然而，普通單模光纖的布里淵散射譜線寬通常為40MHz左右，對(duì)應(yīng)能測(cè)得的應(yīng)變小于1000με。針對(duì)此問題，廣西師范大學(xué)胡君輝教授團(tuán)隊(duì)提出一種基于漸變折射率多模光纖的大動(dòng)態(tài)應(yīng)變SA-BOTDR傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用漸變折射率多模光纖作為傳感光纖，利用單模光纖與多模光纖錯(cuò)位熔接的方法使得光纖中自發(fā)布里淵散射譜展寬，使其具有更寬的近似線性區(qū)域，并利用單斜坡輔助技術(shù)在1km的傳感光纖上實(shí)現(xiàn)最大應(yīng)變?yōu)?000με的大動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量。相關(guān)成果以“Large dynamic strain range slope-assisted Brillouin optical time domain reflectometry based on graded-index multi-mode fiber”為題發(fā)表在Optics Express期刊上。廣西師范大學(xué)碩士研究生劉戈和陸杭林博士為論文共同第一作者，胡君輝教授和陽麗教授為共同通訊作者。

02 研究背景

在傳統(tǒng)的布里淵時(shí)域傳感系統(tǒng)中，一般通過掃描向后散射光與參考光（BOTDR）或者泵浦光和探測(cè)光（BOTDA）之間的頻率差來獲取完整的布里淵增益/損耗譜，再通過洛倫茲擬合獲取布里淵頻移（BFS），最終得到溫度或者應(yīng)變信息，整個(gè)過程十分耗時(shí)，限制了基于布里淵傳感系統(tǒng)的采樣率。斜坡輔助技術(shù)利用布里淵譜邊帶的近似線性區(qū)域，將布里淵頻移的變化轉(zhuǎn)化為接收信號(hào)的功率變化。該過程無需掃描整個(gè)布里淵譜，只需要將工作頻率設(shè)置在近似線性區(qū)域的中點(diǎn)處，通過增益和布里淵頻移的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系即可獲得溫度或者應(yīng)變信息，該技術(shù)避免了掃頻過程，能顯著提高系統(tǒng)的采樣率，非常適合用于測(cè)量動(dòng)態(tài)參量。然而，布里淵增益譜近似線性區(qū)的寬度限制了系統(tǒng)測(cè)量的應(yīng)變范圍。在基于普通單模光纖的布里淵傳感系統(tǒng)中，由于單模光纖的布里淵譜線寬約為40MHz，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變測(cè)量范圍小于1000με，無法用于大動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感。最近，一些研究者也提出了一些測(cè)量大動(dòng)態(tài)應(yīng)變的傳感方案，例如多斜坡輔助、布里淵增益相位比等技術(shù)，然而這些方案也相應(yīng)地增加了系統(tǒng)地復(fù)雜程度。本文研究了漸變折射率多模光纖中的布里淵譜展寬現(xiàn)象，利用展寬的布里淵譜實(shí)現(xiàn)了最大應(yīng)變?yōu)?000με的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量。

03 創(chuàng)新研究

3.1 漸變折射率多模光纖布里淵譜展寬研究

本工作首先對(duì)錯(cuò)位熔接導(dǎo)致的多模光纖布里淵譜展寬進(jìn)行了研究。當(dāng)單模光纖和多模光纖對(duì)芯熔接時(shí)，多模光纖中只有角階數(shù)為0的光學(xué)模式和聲學(xué)模式被激發(fā)（LP01，LP02，…；A01， A02，…），如圖1（a， b）所示，由于不同聲學(xué)模式導(dǎo)致的布里淵頻移和增益不同，最終得到的布里淵譜是所有布里淵譜的疊加。但由于A01模式的耦合效率最高，最終的布里淵譜也只是比A01所激發(fā)的布里淵譜略微展寬，如圖1（c）所示。通過錯(cuò)位熔接，多模光纖中各個(gè)模式的耦合效率隨著錯(cuò)位熔接偏移量的變化如圖2所示，可以看到隨著偏移量的增加，更多角階數(shù)不為0的光學(xué)模式被激發(fā)，對(duì)應(yīng)可以激發(fā)更高階的聲學(xué)模式，并且LP01模式的耦合效率逐漸下降，模式分配更加均衡，可以使得最終的布里淵譜進(jìn)一步展寬。

圖1 對(duì)芯熔接下光學(xué)模式 （a） 和聲學(xué)模式 （b） 的耦合效率; （c） 所對(duì)應(yīng)的布里淵增益譜。

圖2 光學(xué)模式耦合效率隨熔接偏移量增加的變化。

通過圖3所示的傳統(tǒng)BOTDR系統(tǒng)研究了單模光纖與多模光纖不同偏移量對(duì)布里淵譜的影響，實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果與仿真結(jié)果的比較如圖4所示。圖4（a），（b）和（c）分別展示了單模光纖與多模光纖偏移量為0μm， 5μm，8μm下的布里淵譜，可以看出仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。此外，本工作還研究了模式混合對(duì)布里淵譜的影響，采集了在光纖前面增加彎曲和應(yīng)變影響下的布里淵譜，并與未增加彎曲和應(yīng)變的布里淵譜相比較，如圖4（c）所示，彎曲和應(yīng)變?cè)斐傻哪Ｊ交旌蠈?duì)布里淵譜的輪廓有輕微的影響，但是影響結(jié)果在可以接受的范圍內(nèi)。

圖3 BOTDR系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理。

圖4 單模光纖與多模光纖不同熔接偏移量下輸出的布里淵譜： （a）0μm; （b）5μm; （c） 8μm; （d）偏移量為8μm時(shí)通過濾波器后信號(hào)強(qiáng)度與工作頻率之間的關(guān)系。

3.2 大動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量實(shí)驗(yàn)

為了采集動(dòng)態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)，采用一個(gè)高速示波器作為數(shù)據(jù)采集裝置，并且為了使示波器只采集信號(hào)的所需頻率部分，在光電探測(cè)器的后端加上了一個(gè)中心頻率為220MHz， 帶寬為80MHz的電學(xué)濾波器，圖4（d）展示了示波器接收的信號(hào)強(qiáng)度隨著工作頻率的變化，可以看出布里淵譜得到進(jìn)一步展寬，帶寬約為200MHz，并且在右端有一個(gè)約160MHz的近似線性區(qū)域。利用一個(gè)快速軸向伸縮裝置對(duì)距光纖末端20m處施加軸向應(yīng)變，應(yīng)變施加區(qū)域光纖長(zhǎng)度為10m。圖5（a）和（b）分別展示了在不同振動(dòng)頻率下信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化，振動(dòng)頻率已事先標(biāo)定。圖5（c）展示了應(yīng)變和信號(hào)強(qiáng)度間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以看出在振動(dòng)頻率為7.83Hz時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度和應(yīng)變的對(duì)應(yīng)關(guān)系為0.00296 mV/με，而當(dāng)振動(dòng)頻率為15.47Hz時(shí)為0.00292 mV/με。

圖5 應(yīng)變區(qū)域內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度的變化（a） 7.83Hz; （b） 15.47Hz; （c） 信號(hào)強(qiáng)度與應(yīng)變之間的線性關(guān)系。

為了測(cè)量測(cè)得的振動(dòng)頻率與標(biāo)定頻率之間的誤差，對(duì)圖5（a）和（b）的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯鲈跇?biāo)定振動(dòng)頻率為7.83Hz時(shí)測(cè)得的振動(dòng)頻率為8Hz，誤差為0.17Hz。標(biāo)定頻率為15.47Hz時(shí)，應(yīng)變?cè)?500-2500με情況下測(cè)得的振動(dòng)頻率為16Hz，在3000με情況下為14Hz，誤差分別為0.53Hz和1.47Hz。上述實(shí)驗(yàn)證明該方案可以實(shí)現(xiàn)最大應(yīng)變?yōu)?000με的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量，并且具有良好的線性度。

圖6 測(cè)得的振動(dòng)頻率（a） 7.83Hz; （b） 15.47Hz.

04 應(yīng)用與展望

本團(tuán)隊(duì)提出了一種基于漸變折射率多模光纖的大動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感方案，在單斜坡輔助方法下可以測(cè)得最大3000με的動(dòng)態(tài)應(yīng)變。與其它實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)應(yīng)變的測(cè)量方案相比，只需要在BOTDR系統(tǒng)中對(duì)單模光纖和多模光纖錯(cuò)位熔接和增加一個(gè)電學(xué)濾波器，顯著的降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。該方案展現(xiàn)了其在測(cè)量大動(dòng)態(tài)應(yīng)變工程中的應(yīng)用潛力，并為大動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量提供了一種新思路。

審核編輯：郭婷