一種利用菲涅爾反射的分布式溫度傳感系統(tǒng)*

張立欣, 田 敏, 呂安強(qiáng), 劉紫娟, 耿豪鍵

(1.華北電力大學(xué) 電子與通信工程系,河北 保定071003； 2.華北電力大學(xué) 電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)河北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 保定071003)

0 引 言

基于布里淵光時(shí)域分析(Brillouin optical time domain analysis,BOTDA)的分布式光纖傳感技術(shù)利用光纖中的非線性效應(yīng),即受激布里淵散射[1,2](stimulated Brillouin scattering,SBS),并通過時(shí)域分析手段來獲取待測信息從而實(shí)現(xiàn)傳感,具有精度高、定位準(zhǔn)、距離遠(yuǎn)等特點(diǎn),且只需測量一次,就能獲取待測光纖的信息,已被廣泛應(yīng)用于電力通信、海底光纜、鐵路以及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等各個(gè)領(lǐng)域[3～5]。雙端BOTDA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且在傳感光纖斷裂后將無法進(jìn)行檢測,因此,本文采用結(jié)構(gòu)簡單、成本較低且光纖發(fā)生斷裂后也能進(jìn)行檢測的單端BOTDA系統(tǒng)[6,7]。2013年,Zhang X等人將COTDR系統(tǒng)與菲涅爾反射單端BOTDA系統(tǒng)相結(jié)合,在24 km的傳感距離上得到了空間分辨率為5 m、溫度精度為1.0 ℃的測量結(jié)果[8]。2022年,提出一種脈沖編碼單端BOTDA系統(tǒng),在9.35 km光纖上、采用32 bit編碼實(shí)現(xiàn)了1.59 ℃溫度測量精度[9]。

本文提出一種利用光纖末端菲涅爾反射光作為探測光的單端BOTDA溫度傳感系統(tǒng),并采用低頻信號源來進(jìn)行頻率掃描,搭建了基于菲涅爾反射的單端BOTDA直接檢測系統(tǒng)。

1 理論分析

1.1 菲涅爾反射分布式光纖溫度傳感原理

如圖1所示,從光纖的一端同時(shí)入射連續(xù)光和脈沖光,以光纖末端菲涅爾反射光為探測光,脈沖光為泵浦光。當(dāng)二者之間的光頻率差等于布里淵頻移(Brillouin frequency shift，BFS)，即νP-νF=νB時(shí),二者發(fā)生SBS作用,對其探測光檢測,可以得到分布的待測信息。

圖1 菲涅爾反射分布式光纖溫度傳感原理

脈沖光和微波調(diào)制連續(xù)斯托克斯光的菲涅爾反射光之間的SBS作用可由式(1)和式(2)表示[10]

dIP/dz=-gIFIP-αIP

(1)

dIF/dz=-gIFIP+αIF

(2)

式中IP為脈沖光強(qiáng),IF為經(jīng)微波調(diào)制連續(xù)斯托克斯光產(chǎn)生的菲涅爾反射光的光強(qiáng)。通過求解方程上述方程即可求得脈沖的光強(qiáng)

exp[-α(L-z＇ )]dz＇ }

(3)

式中RF為菲涅爾界面反射率,L為光纖長。

1.2 溫度傳感特性

BFSνB與溫度T、應(yīng)變ε的關(guān)系式為

νB(T)=νB0+CT(T-T0)+Cε(ε-ε0)

(4)

式中T0、ε0分別為初始溫度和初始應(yīng)變,CT=(1.20±0.02)MHz/℃為BFS的溫度系數(shù),Cε=(0.048 3±0.000 4)MHz/10-6為BFS的應(yīng)變系數(shù)[11]。可知,溫度和應(yīng)變會同時(shí)對BFS造成影響,因此,在實(shí)際測量過程中,經(jīng)常會固定一個(gè)變量后再對另一個(gè)變量進(jìn)行測量。在溫度測量中,將待測光纖盡可能保持在自然狀態(tài)下(即ε=ε0),以此忽略應(yīng)變的影響,從而得到νB與T的關(guān)系

νB(T)=νB0+CT(T-T0)

(5)

由式(5)可知,只要CT確定,就可以得到νB和T的關(guān)系,由此可計(jì)算待測光纖在任意溫度下的BFS。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本文采用圖2中的單端BOTDA溫度傳感實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了溫度特性測試。實(shí)驗(yàn)采用的光源是線寬為10.3 kHz、中心波長1 550.048 nm的RIO窄線寬激光器,輸出光經(jīng)過50︰50的保偏耦合器分為兩路,上支路進(jìn)入經(jīng)任意波形函數(shù)發(fā)生器(AFG)調(diào)制的電光調(diào)制器1(EOM1)進(jìn)行脈沖調(diào)制生成脈寬為50 ns的脈沖光,其中,EOM1被偏壓控制器1(MBC1)鎖定在谷點(diǎn),脈沖光作為系統(tǒng)的泵浦光,之后經(jīng)由摻鉺光纖放大器1(EDFA1)進(jìn)行信號強(qiáng)度放大,隨后再進(jìn)入光柵濾波器1(FBG1)濾除自發(fā)輻射(ASE)噪聲。下支路使用微波源(MG)作為電光調(diào)制器2(EOM2)的驅(qū)動,生成抑制載波的雙邊帶信號,其中,EOM2被偏壓控制器2(MBC2)鎖定在谷點(diǎn),之后再進(jìn)入AFG驅(qū)動的電光調(diào)制器3(EOM3)調(diào)制生成連續(xù)光,其中,EOM3被偏壓控制器3(MBC3)鎖定在谷點(diǎn),連續(xù)光由摻鉺光纖放大器2(EDFA2)放大,放大后的信號經(jīng)過光柵濾波器2(FBG2)濾除ASE噪聲和反斯托克斯光。連續(xù)光和脈沖光經(jīng)耦合器合成進(jìn)入環(huán)形器(OC)后再進(jìn)入擾偏器(PS),PS對其擾偏后進(jìn)入傳感光纖,連續(xù)光在光纖末端產(chǎn)生的菲涅爾反射光為探測光,與脈沖光在傳感光纖中發(fā)生SBS作用,然后，經(jīng)可調(diào)濾波器(TOF)濾除瑞利后進(jìn)入光電探測器(PD),PD對探測到攜帶SBS作用的信號直接檢測后由示波器(OSC)進(jìn)行采集和顯示。

圖2 利用菲涅爾反射單端BOTDA溫度傳感系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)中,采用的待測光纖由長度分別為900,50,920 m標(biāo)準(zhǔn)單模光纖組成,總長約為1.876 km,將中間段(約50 m左右)放置在恒溫水浴鍋中水浴加熱,在30～70 ℃范圍內(nèi)進(jìn)行溫度測試。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

采用傳感脈沖寬度為50 ns,重復(fù)頻率45 kHz,脈沖峰值功率650 mW,連續(xù)光2 mW。將微波信號源頻率設(shè)置在10.75 GHz,連續(xù)光頻率設(shè)置為50 MHz,改變連續(xù)光信號的頻率從10.80 GHz掃描到10.94 GHz,掃描步長為5 MHz；待測光纖的其他位置處于室溫中,室溫恒定在26.8 ℃,將待測光纖50 m的加溫段放在恒溫水浴鍋中,在30～70 ℃范圍內(nèi),以10 ℃為步進(jìn)對布里淵增益譜(BGS)進(jìn)行測量,當(dāng)每次溫度達(dá)到設(shè)定值且穩(wěn)定10 min后再開始測量,每次測量時(shí)都將示波器設(shè)定為平均模式并進(jìn)行10 000次疊加平均。

以加溫50 ℃為例,可以得到如圖3所示的三維BGS,從圖中可以看出,中間加溫段的BFS明顯增加。取出在加溫段光纖920 m處不同頻率下的測量值,對其進(jìn)行洛倫茲擬合,擬合曲線如圖4所示,得到50 ℃下加溫段的BFS為10.870 GHz,且擬合誤差為0.37 MHz。

圖3 50 ℃三維BGS

圖4 50 ℃下920 m處BGS

對中間加溫段的BGS進(jìn)行擬合,可以得到如圖5所示在不同溫度情況下的BFS曲線,從下到上分別為30～70 ℃的BFS曲線。由圖可見,BFS與溫度的關(guān)系呈正相關(guān)。

圖5 不同溫度的BFS曲線

從圖6中能夠明顯看出,在30～70 ℃溫度范圍下,BFS隨著溫度的不斷升高而呈線性增加,擬合出來的溫度系數(shù)為1.02 MHz/℃,且擬合誤差為1.04 MHz,與雙端BOTDA的測量值1.20 MHz/℃基本相符。

圖6 BFS與T曲線關(guān)系

在加溫段(50 ℃)下，取出890～980 m位置處的BGS進(jìn)行洛倫茲擬合,可以得到如圖7所示的BFS分布。由圖可知,待測光纖中未給光纖加溫的頻移在10.845 GHz左右,在中間50 m位置處給光纖加溫的頻移在10.870 GHz左右。系統(tǒng)采用50 ns的脈沖寬度,根據(jù)公式d=cZ/(2n)可得d=5 m,其中,Z為脈沖寬度,d為空間分辨率,c為光速,n為光纖折射率。由圖7所示數(shù)據(jù)可知,在上升段的光纖長度約4.5 m,即此時(shí)的空間分辨率約4.5 m,與計(jì)算數(shù)值基本相符。

圖7 50 ℃加溫段頻移曲線

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在30～70 ℃溫度范圍所測BFS與溫度呈良好的正相關(guān)線性關(guān)系；利用菲涅爾反射的分布式溫度傳感系統(tǒng)獲得的溫度系數(shù)為1.02 MHz/℃,與雙端BOTDA傳感技術(shù)所測得的1.20 MHz/℃基本吻合,在1.876 km長的光纖上獲得的空間分辨率為4.5 m。