一種新的布里淵光時(shí)域定位技術(shù)

蔣超

(中船重工750試驗(yàn)場(chǎng)，云南 昆明 650010)

1 引言

如今，BOTDA傳感系統(tǒng)被廣泛的應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，尤其是大型結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，石油和天然氣行業(yè)的泄漏檢測(cè)，大功率電纜的溫度監(jiān)測(cè)等[1,2]。受限于光纖中聲子壽命(10ns)的限制，傳統(tǒng)BOTDA系統(tǒng)空間分辨率一般不超過1m[3]，遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。近年來針對(duì)BOTDA空間分辨率受聲場(chǎng)壽命的限制，研究人員進(jìn)行了大量的研究。提出的解決方案都是利用短脈沖空間分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，并通過一系列技術(shù)手段克服短脈沖不能激發(fā)穩(wěn)定聲場(chǎng)的缺點(diǎn)。這些方法包括：差分脈沖對(duì)技術(shù)(DPP)[4]、脈沖預(yù)泵浦(PPP)布里淵光時(shí)域分析技術(shù)[5]、雙脈沖法[6]、暗脈沖法[7]、布里淵回聲技術(shù)(BEDS)(也稱π脈沖技術(shù))[8]、光學(xué)參量放大技術(shù)(ODPA)[9]和增益包絡(luò)探測(cè)技術(shù)(GPT)[10]，以及脈沖劃分技術(shù)等[11]，這些技術(shù)本質(zhì)上還是由脈沖寬度決定空間分辨率。

本文通過對(duì)布里淵信號(hào)重疊現(xiàn)象的研究，提出了一種新的解決方案。由于不同脈寬下布里淵信號(hào)的一端會(huì)重疊在同一位置，而且該點(diǎn)對(duì)應(yīng)應(yīng)變(溫度)段的端點(diǎn)。利用這個(gè)現(xiàn)象，通過對(duì)應(yīng)變(溫度)段兩端的位置進(jìn)行定位，可實(shí)現(xiàn)應(yīng)變(溫度)段的定位。理論上該方法的空間分辨率不受限制，和脈沖寬度沒有直接關(guān)系，僅由系統(tǒng)的最小采樣間隔決定，即可以利用幾十上百ns的脈沖對(duì)cm級(jí)的應(yīng)擾動(dòng)段進(jìn)行探測(cè)，長(zhǎng)脈沖意味著更高的信噪比，因此有利于實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離高分辨率傳感。該方法基于傳統(tǒng)的BOTDA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，操作簡(jiǎn)單，不會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

2 原理分析

本研究中提出的提高空間分辨率的方法是基于布里淵信號(hào)的重疊現(xiàn)象。首先，使用BOTDA系統(tǒng)的脈沖劃分分析對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行了解釋。如圖1所示，BOTDA系統(tǒng)中的脈沖光和探測(cè)光相向傳輸，其交互長(zhǎng)度為脈沖寬度所對(duì)應(yīng)光纖段的一半(圖中紅色段)。把脈沖劃分為10個(gè)子脈沖，從圖1(a)開始，第10個(gè)子脈沖先和探測(cè)光交互，第一份能量轉(zhuǎn)移。此后脈沖光、探測(cè)光繼續(xù)前行，圖1(b)為第9個(gè)子脈沖和探測(cè)光交互，第二份能量轉(zhuǎn)移，此時(shí)第一份交互轉(zhuǎn)移的能量隨著探測(cè)光的移動(dòng)和第二份能量疊加。以此類推，直到最后一個(gè)子脈沖與探測(cè)光發(fā)生能量轉(zhuǎn)移。如圖1(c)，此時(shí)的信號(hào)等于之前十次交互能量的疊加。也就是說，每個(gè)采樣點(diǎn)探測(cè)到的能量都包含10份子能量的疊加。

圖1 BOTDA系統(tǒng)中布里淵信號(hào)產(chǎn)生原理Fig.1 Principle of Brillouin Signal Generation in BOTDA System

根據(jù)上述理論，對(duì)熱點(diǎn)附近處采樣點(diǎn)的布里淵增益強(qiáng)度進(jìn)行了分析。如圖2所示，灰色表示無擾動(dòng)的光纖段，紅色段表示有擾動(dòng)的光纖段。紅色段的布里淵頻率由于擾動(dòng)的影響而偏離了灰色段光纖的值。因此，當(dāng)脈沖光和探測(cè)光在兩種光纖中發(fā)生布里淵交互時(shí)，其交互強(qiáng)度不同。為方便描述，先假設(shè)10 ns脈沖(對(duì)應(yīng)的交互長(zhǎng)度為1 m)在灰色光纖中產(chǎn)生的布里淵信號(hào)強(qiáng)度為1，紅色光纖中為0，采樣間隔設(shè)為1 m。因此可以得到10 ns時(shí)各采樣點(diǎn)信號(hào)，如圖2中所示。

圖2 90 ns脈沖檢測(cè)布里淵增益的細(xì)分分析Fig.2 Subdivision analysis of Brillouin gain detected by 90 ns pulse.Nine-multiple subdivision was carried out

接下來根據(jù)劃分疊加的理論，可以依次推導(dǎo)出其他脈寬下各采樣點(diǎn)的布里淵信號(hào)強(qiáng)度。這里推導(dǎo)模型中以90 ns為例，90 ns脈沖情況下，每個(gè)采樣點(diǎn)的能量強(qiáng)度對(duì)應(yīng)9 m光纖對(duì)應(yīng)的布里淵信號(hào)強(qiáng)度，根據(jù)前面的假設(shè)知道交互經(jīng)歷1 m時(shí)的能量強(qiáng)度，可以依次推導(dǎo)出90 ns下各個(gè)采樣點(diǎn)能量強(qiáng)度，具體過程如圖2中所示。

類似地，可以得出其他脈寬下(30 ns、50 ns、70 ns)每個(gè)采樣點(diǎn)的布里淵信號(hào)強(qiáng)度。將其進(jìn)行歸一化后，畫出每個(gè)脈沖下的布里淵增益曲線。如圖3所示。從圖中可以看出，雖然空間分辨率不同(10 ns、30 ns、50 ns、70 ns、90 ns的空間分辨率分別為1 m、3 m、5 m、7 m、9 m)，但每條增益曲線波動(dòng)的右側(cè)完全重合。因此，對(duì)于相同的應(yīng)變(溫度)事件，不管采用多寬的泵浦脈沖進(jìn)行探測(cè)，其布里淵信號(hào)在空間域的一個(gè)端點(diǎn)都保持不變(該點(diǎn)位于探測(cè)光入射端)。基于該特性，如果將泵浦光與探測(cè)光反向，則會(huì)得到該事件的另一個(gè)端點(diǎn)。由這兩個(gè)端點(diǎn)即可對(duì)事件進(jìn)行定位。

圖3 不同脈沖寬度的布里淵增益仿真Fig.3 Brillouin gain simulation with different pulse widths

具體實(shí)現(xiàn)過程如圖4所示。利用長(zhǎng)脈沖對(duì)一個(gè)短的應(yīng)變(溫度)段進(jìn)行探測(cè)，由BOTDA系統(tǒng)的工作原理可知，熱點(diǎn)處的布里淵中心頻率不同于背景光纖的布里淵中心頻率，因此在布里淵頻率范圍內(nèi)，探測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度會(huì)有所差異。差異段長(zhǎng)度由系統(tǒng)的空間分辨率決定。由于使用長(zhǎng)脈沖，差異段的長(zhǎng)度會(huì)大于實(shí)際的熱點(diǎn)長(zhǎng)度，但是差異段的起始位置正好是熱點(diǎn)的端點(diǎn)處，如圖4中紅色信號(hào)。利用這個(gè)現(xiàn)象只需改變探測(cè)光和泵浦脈沖光在待測(cè)光纖中的傳播方向，就能確定熱點(diǎn)另一端的位置，如圖4中藍(lán)色信號(hào)。通過上述兩次測(cè)量后就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變(溫度)段起止點(diǎn)的準(zhǔn)確定位，理論上該方法的空間分辨率僅受限于系統(tǒng)的采樣間隔。該方法同樣適用于布里淵光時(shí)域反射技術(shù)(BOTDR)。

圖4 擾動(dòng)探測(cè)工作原理；紅線：起始點(diǎn)的探測(cè)，綠線：截止點(diǎn)的探測(cè)Fig.4 Disturbance detection working principle;red line:detection of starting point,green line:detection of cut-off point

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本節(jié)將上述方法用于應(yīng)變測(cè)量，以驗(yàn)證該方法定位應(yīng)變事件的準(zhǔn)確性。首先是應(yīng)變段的定位。實(shí)驗(yàn)使用的是標(biāo)準(zhǔn)的BOTDA系統(tǒng)，通過一個(gè)光開關(guān)來轉(zhuǎn)換探測(cè)光和脈沖光的入射方向，其實(shí)驗(yàn)框圖如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置。EOM：電光調(diào)制器，EDFA：摻鉺光纖放大器，RF：射頻源，PS：擾偏器，PC：偏振控制器，ATT：衰減器，PD：光電探測(cè)器，F(xiàn)UT：待測(cè)光纖Fig.5 Experimental setup:EOM:Electro-Optical Modulator,EDFA:Erbium Doped Fiber Amplifier,RF:Radio-frequency generator,PS:Polarization Scrambler,PC:Polarization Controller,ATT:Attenuator,PD:Photodetector,FUT:Fiber under Test

使用工作在1550 nm，線寬為3 MHz的分布反饋(DFB)激光器作為光源。50/50的光學(xué)耦合器將光分成探測(cè)光和泵浦光。在泵浦光一端(57.4 mW)，電光調(diào)制器(EOM)由脈沖發(fā)生器和射頻源驅(qū)動(dòng)，以產(chǎn)生頻移脈沖光束。射頻源調(diào)制后脈沖信號(hào)具有雙邊帶，但是使用可調(diào)濾波器來選擇Stokes分量。偏振擾碼器(PS)用于減少偏振相關(guān)的波動(dòng)。摻鉺光纖放大器(EDFA)用于通過三端口光環(huán)行器放大光纖中的泵浦脈沖。在探測(cè)光一端，連續(xù)光通過隔離器和可調(diào)光衰減器(ATT)發(fā)射到傳感光纖的遠(yuǎn)端。可調(diào)光衰減器用于選擇合適的入射光功率，避免探測(cè)光功率過大造成嚴(yán)重的泵浦消耗。使用光電探測(cè)器PD對(duì)探測(cè)光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，高速數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)對(duì)電信號(hào)進(jìn)行快速的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)的采集和EOM的信號(hào)發(fā)生器同步進(jìn)行。掃頻范圍設(shè)置為300 MHz(從10.650到10.949 GHz)，頻率步長(zhǎng)為1MHz。探測(cè)光的時(shí)域信號(hào)由具有500 MHz帶寬的DC耦合光電探測(cè)器探測(cè)。每個(gè)頻率下的信號(hào)進(jìn)行4096次平均。信號(hào)的采集和分析由設(shè)計(jì)的程序?qū)崟r(shí)處理。

3.1 應(yīng)變段定位

應(yīng)變施加方案如圖6所示，用光纖夾具對(duì)光纖上的一段施加應(yīng)變，應(yīng)變大小可由螺旋微調(diào)裝置調(diào)節(jié)。整段光纖長(zhǎng)24752m，布里淵中心頻率為10.705GHz。應(yīng)變段光纖長(zhǎng)1m，其左側(cè)和右側(cè)端點(diǎn)分別位于距圖6中光纖尾端41m和40m處。

圖6 應(yīng)變施加方案Fig.6 Strain sensing layout of the experiment

采樣間隔設(shè)置為50cm，首先連續(xù)探測(cè)光(CW)從左端入射，泵浦脈沖光(Pulse)從右端入射，保持其它參數(shù)不變，以10 ns脈寬為間隔，依次測(cè)量20 ns到100 ns脈寬時(shí)的布里淵增益曲線，其結(jié)果如圖7(a)所示。為了便于分析重疊點(diǎn)的位置，將其進(jìn)行歸一化，結(jié)果如圖7(b)所示。此時(shí)應(yīng)變的起始點(diǎn)處于信號(hào)的首端，在距光纖尾端40 m處，與實(shí)際施加的應(yīng)變起點(diǎn)(40 m)一致。不同脈寬下的布里淵信號(hào)突變距離不同，對(duì)應(yīng)于不同的空間分辨率。但是其信號(hào)起點(diǎn)都相同，與仿真結(jié)果吻合。從圖7還可以發(fā)現(xiàn)，使用的脈沖越寬信號(hào)越強(qiáng)，有利于長(zhǎng)距離傳感。

圖7 不同脈寬下的布里淵增益曲線Fig.7 Brillouin gain traces under different pump pulses

接下來改變連續(xù)探測(cè)光和泵浦脈沖光的入射方向，保持應(yīng)變施加位置不變，重復(fù)上次測(cè)量。其結(jié)果如圖8所示，此時(shí)探測(cè)到的應(yīng)變段起點(diǎn)位置在距離光纖首端的24711 m處，即離光纖尾端41 m處，與實(shí)際施加應(yīng)變的位置一致。因此，通過正反兩次測(cè)量，對(duì)光纖中1m長(zhǎng)的應(yīng)變段進(jìn)行了定位，證明了該方法的有效性。實(shí)驗(yàn)時(shí)分別使用了20 ns、30 ns……100 ns的脈沖，均能對(duì)1 m應(yīng)變段進(jìn)行定位。相比于圖7中的結(jié)果，圖8中布里淵增益曲線會(huì)出現(xiàn)明顯的波動(dòng)，主要是因?yàn)楣饫w尾端信噪比較差。

圖8 改變脈沖入射方向后不同脈寬下的布里淵增益曲線Fig.8 Brillouin gain traces after pulse inverse under different pump pulses

3.2 應(yīng)變大小測(cè)量

當(dāng)泵浦脈沖寬度大于擾動(dòng)長(zhǎng)度時(shí)，會(huì)在事件點(diǎn)(溫度、應(yīng)變)附近處產(chǎn)生雙峰布里淵增益譜BGS[12]，主峰表示背景光纖的信號(hào)分量，次峰表示擾動(dòng)段的信號(hào)分量。當(dāng)熱點(diǎn)和背景光纖之間的布里淵頻率偏移間隔很小時(shí)，即溫度差異或應(yīng)變很小時(shí)，該方法的布里淵頻移分辨率非常有限。針對(duì)這個(gè)問題可以通過降低BGS的帶寬，來增大頻移(溫度、應(yīng)變)的測(cè)量范圍。因?yàn)锽GS是由原始布里淵譜和脈沖頻譜卷積得到的，當(dāng)脈沖達(dá)到一定寬度時(shí)，不會(huì)對(duì)自然布里淵譜造成展寬。本文提出的定位方法空間分辨率不受脈沖寬度的限制，可以選擇較寬的脈沖來避免頻譜的展寬，以此獲得較大的頻率測(cè)量范圍。因此在選擇脈沖寬度時(shí)，需要保證頻譜不會(huì)過度展寬。

實(shí)驗(yàn)測(cè)量了不同脈沖方案下布里淵增益譜的半高寬(FWHM)數(shù)據(jù)，如圖9所示，發(fā)現(xiàn)當(dāng)脈沖寬度大于50 ns時(shí)其譜寬接近于原始布里淵增益譜，可以認(rèn)為，此時(shí)展寬很小，幾乎可以忽略。選擇50 ns的脈沖對(duì)圖6中的應(yīng)變段進(jìn)行測(cè)量，掃頻范圍為350 MHz，掃頻間隔為2 MHz，采樣間隔和前面實(shí)驗(yàn)保持一致。由于布里淵信號(hào)會(huì)隨著光纖長(zhǎng)度的增加而衰減，為了減小測(cè)量誤差，選擇了應(yīng)變段在光纖布里淵增益信號(hào)首端的方案，此時(shí)信號(hào)的信噪比較高，得到的整段光纖三維增益譜如圖10(a)所示，可以清晰的看到首端的應(yīng)變處的信號(hào)。應(yīng)變附近的三維BGS如圖10(b)示，由于使用50 ns的脈沖，可以明顯的看出大約41 m至46 m出存在一段5 m的應(yīng)變段。因?yàn)閷?shí)際應(yīng)變大小僅為1 m，因此可以看出該位置明顯出現(xiàn)雙峰。

圖9 布里淵增益譜寬隨脈沖寬度變化的曲線Fig.9 Curve of Brillouin gain spectrum width as a function of pulse width

圖10 整段和應(yīng)變段處光纖的布里淵三維增益譜Fig.10 Brillouin three-dimensional gain spectrum of the entire and strain segment fiber

取應(yīng)變段43 m處的布里淵增益譜進(jìn)行應(yīng)變分析，結(jié)果如圖11示。由于50 ns的脈沖的使用，布里淵頻譜幾乎不展寬，雙峰BGS完全可以分辨。

圖11 應(yīng)變處的BGS曲線Fig.11 The BGS of strain fiber

通過洛倫茨雙峰擬合得到，應(yīng)變處的布里淵頻移為94 MHz，對(duì)應(yīng)為1880個(gè)微應(yīng)變(應(yīng)變系數(shù)為0.05MHz/με)，頻移測(cè)量誤差為1.8MHz，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變不確定度為36 με。需要注意的是，雖然使用長(zhǎng)脈沖可以增大頻率測(cè)量的范圍，但由于原始布里淵增益譜的半高寬為35 MHz左右，限制了測(cè)量時(shí)的應(yīng)變大小不能低于700 με(0.05MHz/με)。如果應(yīng)變太小，應(yīng)變?cè)斐傻拇畏孱l移也較小，主峰和代表應(yīng)變的次峰相互重疊，此時(shí)無法準(zhǔn)確的獲得應(yīng)變的大小。因此，對(duì)于該技術(shù)，最小可探測(cè)的擾動(dòng)應(yīng)該能夠引起遠(yuǎn)大于主BGS帶寬的頻移。

4 結(jié)論分析

論文利用不同脈寬的布里淵信號(hào)端點(diǎn)重疊的現(xiàn)象，提出一種新的定位方法，用20 ns、30 ns……100 ns的脈沖對(duì)24752 m長(zhǎng)光纖中1m長(zhǎng)的應(yīng)變段進(jìn)行了定位。該方法的空間分辨率與脈沖寬度之間沒有直接聯(lián)系，空間分辨率由系統(tǒng)的采樣間隔決定，克服了泵浦脈沖寬度對(duì)空間分辨率的限制。研究了不同脈寬對(duì)譜寬的影響，選用50 ns的脈沖測(cè)量了光纖尾端1 m應(yīng)變段的應(yīng)變大小，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變測(cè)量不確定度為36 με。需要指出的是，由于當(dāng)擾動(dòng)事件長(zhǎng)度小于脈沖寬度對(duì)應(yīng)的空間分辨率時(shí)會(huì)出現(xiàn)雙峰現(xiàn)象，頻移過小會(huì)造成雙峰重疊在一起無法分辨，因此要保證布里淵譜寬盡量窄，并且頻移范圍大于布里淵譜的譜寬。該方法中,空間分辨率與泵浦脈沖寬度無關(guān)，可避免使用短脈沖時(shí)出現(xiàn)的交互強(qiáng)度變?nèi)?、布里淵頻譜展寬的缺陷，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。