混沌激光布里淵散射的分布式光纖溫度傳感

馬 喆，張明江，劉 慧，劉 毅，王云才

1)新型傳感器與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030024;2)太原理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，光電工程研究所，太原030024

基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)［1-4］已被廣泛用于各類材料和結(jié)構(gòu)的應(yīng)變或溫度分布式傳感測(cè)量.目前主要采用基于脈沖的時(shí)域技術(shù)［5-9］和基于連續(xù)波的相關(guān)域技術(shù)［10-14］.標(biāo)準(zhǔn)時(shí)域技術(shù)包括布里淵光時(shí)域反射計(jì)(Brillouin optical time domain reflectometry，BOTDR)［5］和布里淵光時(shí)域分析(Brillouin optical time domain analysis，BOTDA)［9］，均具有長(zhǎng)距離測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，但空間分辨率(＞1 m)限制其在一些特殊結(jié)構(gòu)中的監(jiān)測(cè)，如飛機(jī)機(jī)翼、火箭和風(fēng)力渦輪葉片等［11］.傳統(tǒng)的相關(guān)域布里淵傳感技術(shù)包括布里淵光相關(guān)域反射計(jì)(Brillouin optical correlation domain reflectometry，BOCDR)［12］和布里淵光相關(guān)域分析(Brillouin optical correlation domain analysis，BOCDA)［13］，可實(shí)現(xiàn)厘米或毫米量級(jí)的高空間分辨率，但由于激光器的調(diào)制頻率問題使得測(cè)量距離受限于相鄰相關(guān)峰，測(cè)量距離只有數(shù)十米或數(shù)百米［14］.

為解決布里淵分布式光纖傳感技術(shù)在空間分辨率與傳感距離方面難以同時(shí)兼顧的問題，研究者先后提出以下改進(jìn)方法:基于雙脈沖布里淵光時(shí)域反射計(jì)(double-pulse BOTDR)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)20 cm的空間分辨率和1 km的傳感距離［15］;采用基于差分脈沖對(duì)的布里淵光時(shí)域分析(differential-pulse pair BOTDA)技術(shù)，在1 km的傳感光纖上實(shí)現(xiàn)了15 cm的空間分辨率［16］;通過優(yōu)化差分脈沖對(duì)技術(shù)在2 km的傳感光纖上實(shí)現(xiàn)了2 cm的空間分辨率［17］.利用布里淵回聲實(shí)現(xiàn)了5 cm的空間分辨率和5 km的傳感距離［18］.此外，基于BOCDR的時(shí)間控制方案被提出，獲得66 cm的空間分辨率和1 km的測(cè)量范圍［19］;采用雙頻率調(diào)制技術(shù)成功獲得10 cm的空間分辨率和34 m測(cè)量范圍［14］;利用光纖放大器的放大自發(fā)輻射噪聲調(diào)制的BOCDA系統(tǒng)，在2 m的傳感測(cè)量距離上獲得了4 mm的空間分辨率［20］.另外，基于相位編碼的BOCDA系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了14 mm的空間分辨率和17.5 km的傳感距離［21］;基于振幅和相位的雙層編碼技術(shù)獲得了2 cm的空間分辨率和2.2 km的傳感距離［22］.但上述改進(jìn)技術(shù)仍需脈沖信號(hào)發(fā)生器或高頻信號(hào)微波源等儀器.由于混沌激光具有相干長(zhǎng)度短且可調(diào)諧的特性，可發(fā)展一種基于混沌激光的布里淵散射分布式光纖傳感技術(shù).

為此，本研究提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于混沌激光布里淵散射的分布式溫度傳感測(cè)量方法.從混沌激光的注入光功率和光路偏振態(tài)對(duì)混沌激光布里淵散射光進(jìn)行研究，通過測(cè)量固定點(diǎn)在不同溫度條件下的布里淵頻移量獲得該系統(tǒng)的溫度系數(shù)，進(jìn)而對(duì)待測(cè)光纖不同位置的溫度進(jìn)行分布式測(cè)量，實(shí)現(xiàn)分布式溫度傳感測(cè)量.

1 實(shí)驗(yàn)裝置及工作原理

圖1為混沌激光布里淵散射的溫度傳感實(shí)驗(yàn)裝置.虛線框所示為混沌激光源，激光源輸出的激光通過電光調(diào)制器(electro-optic modulator，EOM)被混沌信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的混沌信號(hào)調(diào)制，進(jìn)而產(chǎn)生混沌激光.該混沌激光經(jīng)高功率摻鉺光纖放大器(erbium-doped optical fiber amplifier，EDFA)進(jìn)行放大，然后被1/99光耦合器分成兩路光.一路(1%)作為混沌參考光，參考光路光程長(zhǎng)度用Lref來表示.通過使用不同長(zhǎng)度的延遲光纖選擇探測(cè)位置范圍，再結(jié)合可調(diào)光延遲線(general photonics，型號(hào)為 MDL-002)對(duì)待測(cè)光纖(fiber under test，F(xiàn)UT)中的探測(cè)位置進(jìn)行精確掃描定位.另一路(99%)作為混沌泵浦光注入FUT中，LX為光環(huán)形器到探測(cè)位置的光纖長(zhǎng)度.當(dāng)混沌泵浦光入射到待測(cè)光纖中，光纖中的聲頻聲子與入射的混沌泵浦光相互作用，產(chǎn)生后向布里淵散射，稱為混沌斯托克斯光.拍頻譜被定義為布里淵增益譜(Brillouin gain spectrum，BGS)，具有洛倫茲函數(shù)形狀［23］.當(dāng)波長(zhǎng)為1 550 nm激光注入普通單模光纖時(shí)，后向布里淵散射光相對(duì)于入射光會(huì)產(chǎn)生11 GHz左右的頻率下移，稱作布里淵頻移(Brillouin frequency shift，BFS).如果光纖所處的溫度環(huán)境發(fā)生變化，布里淵頻移量就會(huì)隨之改變，早期研究通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量，獲得了單模光纖中 BFS隨溫度的變化系數(shù)為1.2℃/MHz［24］.因此，通過測(cè)量被測(cè)光纖各個(gè)位置處的布里淵頻移量，便可獲知沿光纖的溫度分布情況.

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的定位原理通過調(diào)節(jié)參考光路的光程來實(shí)現(xiàn)，探測(cè)位置為

其中，Lref為參考光路中延遲光纖及儀器內(nèi)部所有光纖的長(zhǎng)度;L1為1/99耦合器到光環(huán)形器(optical circulator，OC)紅端的光纖長(zhǎng)度;L2為后向散射光路中的光纖長(zhǎng)度.

圖1 混沌激光布里淵散射的溫度傳感實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Experimental setup of chaotic light Brillouin scattering temperature sensing

每個(gè)時(shí)刻到達(dá)50/50耦合器的混沌參考光可視為處于某一特定狀態(tài)(或某一特定相干長(zhǎng)度)的激光，而每個(gè)時(shí)刻返回到50/50耦合器的是整個(gè)被測(cè)光纖中各位置處斯托克斯光的疊加.當(dāng)參考光路的光程等于探測(cè)光路中被測(cè)光纖某一位置的光程時(shí)，在后向散射所有疊加的斯托克斯光中只有該位置的斯托克斯光與參考光具有相同混沌態(tài)，也就是它們處于同一相干長(zhǎng)度內(nèi)，此時(shí)參考光與該位置的混沌斯托克斯光才會(huì)發(fā)生最大干涉，從而獲得其拍頻信號(hào).通過連續(xù)調(diào)節(jié)參考光路光纖的長(zhǎng)度，可獲得被測(cè)光纖不同位置的斯托克斯光與參考光的拍頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)光纖的掃描定位，獲得被測(cè)光纖不同位置處的布里淵頻移量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)分布式的溫度傳感測(cè)量.干涉拍頻的光譜變化采用光譜儀(Yokogawa AQ6370C)來監(jiān)測(cè).拍頻光信號(hào)被超快光電探測(cè)器(photodetector，PD)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后，利用26.5 GHz的頻譜分析儀(Agilent N9020A)和6 GHz的實(shí)時(shí)示波器(Lecory SDA806Zi_A)進(jìn)行觀測(cè).

圖2為FUT的結(jié)構(gòu)示意圖.實(shí)驗(yàn)中將待測(cè)光纖的第2部分(110～120 m)放置在光纖恒溫箱中進(jìn)行溫度變化，第1和第3部分以自由狀態(tài)處于室溫環(huán)境下，室溫保持在23℃.

圖2 實(shí)驗(yàn)中待測(cè)光纖的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of the FUT in the experiment

2 混沌激光及混沌布里淵散射光特性

實(shí)驗(yàn)中，激光源輸出波長(zhǎng)為1 550 nm、功率為6.0 mW的激光，經(jīng)EOM被頻譜帶寬為15 GHz的混沌信號(hào)調(diào)制后，獲得實(shí)驗(yàn)所需的混沌激光，圖3為該混沌激光的特性.其中，圖3(a)中藍(lán)色曲線為功率譜，可以看出混沌激光的頻率范圍在0～15 GHz，灰色曲線為頻譜儀的噪聲基底.圖3(b)為混沌激光的光譜，由延遲自外差法［25］測(cè)得光譜線寬為71.91 MHz.根據(jù)相干長(zhǎng)度的計(jì)算公式

其中，LC為混沌激光的相干長(zhǎng)度;c為光在真空中的傳播速度;n和Δf分別為光纖的折射率和光源的線寬.計(jì)算可得LC=88.53 cm，理論上相干長(zhǎng)度等于傳感系統(tǒng)的空間分辨率.圖3(c)為混沌激光的時(shí)序，可以看出混沌激光具有快速和無規(guī)則的振蕩變化，無明顯周期;圖3(d)是時(shí)序長(zhǎng)度為15 000 ns的類δ函數(shù)的自相關(guān)曲線，具有低噪聲水平，作為傳感系統(tǒng)的光源具有很大的優(yōu)勢(shì).

圖3 混沌激光的特性Fig.3 Characteristic of the chaotic laser

實(shí)驗(yàn)研究了混沌激光布里淵散射光隨著注入光功率的變化情況.利用高功率EDFA對(duì)混沌激光進(jìn)行不同倍數(shù)放大，從0.1 W放大到1.2 W后注入長(zhǎng)度為155 m的單模光纖，對(duì)應(yīng)的后向散射光譜如圖4.隨著注入光功率的不斷增大，后向散射光譜中斯托克斯光的中心頻率峰值不斷增大，從-50 dBm不斷增大到5 dBm.當(dāng)注入功率為1.2 W時(shí)，混沌布里淵散射光譜峰值功率比瑞利散射光的峰值功率高約25 dB，此時(shí)產(chǎn)生了受激布里淵散射(stimulated Brillouin scatter，SBS)，提高了拍頻后布里淵增益譜的信噪比，省去濾波裝置，達(dá)到簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)方案的效果.當(dāng)光纖較長(zhǎng)時(shí)(如幾公里)，光纖上各段可能出現(xiàn)不同的布里淵散射狀態(tài)(例如，光纖末段可能因前段出現(xiàn)很強(qiáng)的SBS而沒有入射光進(jìn)入).因此，實(shí)驗(yàn)中需要選擇合適的注入光功率產(chǎn)生適當(dāng)?shù)腟BS，不至于使強(qiáng)SBS阻止入射光無法在傳感光纖的末端中傳輸.相比利用自發(fā)布里淵散射傳感，SBS可獲得較強(qiáng)的信號(hào)功率和較高的信噪比，因此利用該方法可以在較長(zhǎng)距離的被測(cè)光纖上實(shí)現(xiàn)傳感測(cè)量.

圖4 不同注入功率下混沌布里淵散射光特征Fig.4 Chaotic backscattered light spectrum with different injected optical power

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，后向散射光路的偏振態(tài)對(duì)布里淵散射光的穩(wěn)定性影響較大.圖5為待測(cè)光纖10 m處(室溫，25℃)和145 m(恒溫箱內(nèi)，55℃)處的布里淵拍頻譜在不同偏振態(tài)條件下的變化情況.可以發(fā)現(xiàn)，在手動(dòng)改變偏振控制器的偏振位置后，混沌布里淵散射光的偏振態(tài)發(fā)生改變，進(jìn)而對(duì)布里淵拍頻譜的中心頻率幅值和帶寬造成嚴(yán)重影響.由于實(shí)驗(yàn)中使用不同長(zhǎng)度的延遲光纖結(jié)合可變光延遲線來調(diào)節(jié)參考臂長(zhǎng)度，因此每調(diào)節(jié)1次參考臂光路的長(zhǎng)度，都需要調(diào)節(jié)偏振控制器來控制被測(cè)光纖中對(duì)應(yīng)等光程探測(cè)位置的布里淵散射光偏振態(tài)，使得參考光和散射光各自到達(dá)50/50耦合器時(shí)的偏振態(tài)最接近，從而獲得最大強(qiáng)度的拍頻信號(hào)，進(jìn)而更易于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的采集和處理.因此，實(shí)驗(yàn)中采用偏振控制器(general photonics，PLC-003-S-25)對(duì)后向散射光路的偏振態(tài)進(jìn)行控制.

圖5 不同偏振態(tài)條件下的布里淵拍頻譜Fig.5 Brillouin beat spectrum in different polarization

混沌激光被EDFA放大至1.25 W后注入155 m單模光纖，所得混沌參考光和混沌斯托克斯光的拍頻信號(hào)如圖6.其中，圖6(a)中綠色曲線表示混沌斯托克斯光的光譜信號(hào)，灰色虛線部分是瑞利散射光頻所在的位置，混沌布里淵散射光的中心頻率比瑞利散射的中心頻率峰值高30 dB左右.紅色曲線表示干涉拍頻后的光譜圖;圖6(b)為拍頻信號(hào)的布里淵拍頻譜，從圖6可見，3 dB帶寬為40.8 MHz.

圖6 混沌參考光和混沌斯托克斯光的拍頻信號(hào)Fig.6 Beat signal of chaotic reference light and chaotic Stokes light

3 混沌激光布里淵頻移與溫度的關(guān)系

將總長(zhǎng)度為155 m單模光纖(G.657A)的后50 m放在恒溫箱內(nèi)，調(diào)整參考光路光程使探測(cè)位置定在125 m處，即恒溫箱內(nèi)的位置.然后調(diào)節(jié)恒溫箱的溫度，以10℃的間隔從20～50℃調(diào)節(jié)溫度進(jìn)行定點(diǎn)測(cè)溫實(shí)驗(yàn).圖7(a)為實(shí)驗(yàn)測(cè)得不同溫度下的布里淵拍頻譜，可見，隨溫度的升高，布里淵頻移量和峰值功率皆呈線性增大趨勢(shì).布里淵頻移量隨溫度變化的擬合曲線如圖7(b)，擬合曲線的斜率為1.27，即溫度系數(shù)為1.27 MHz/℃.同時(shí)，擬合曲線的擬合系數(shù)為0.997 59，說明布里淵頻移與溫度的線性度很好，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致.

圖7 混沌激光布里淵頻移和溫度的關(guān)系Fig.7 The relationship of chaotic light BFS and temperature

4 溫度傳感實(shí)驗(yàn)結(jié)果

選用同等長(zhǎng)度的G.655單模光纖進(jìn)行溫度傳感實(shí)驗(yàn)，經(jīng)測(cè)量其溫度系數(shù)為1.07 MHz/℃.設(shè)置恒溫箱的溫度為13℃，待溫度恒定后，調(diào)節(jié)參考光路的光程，實(shí)現(xiàn)對(duì)整條待測(cè)光纖的溫度分布測(cè)量，結(jié)果如圖8.其中，圖8(a)為布里淵拍頻譜三維分布情況;圖8(b)為沿待測(cè)光纖的布里淵頻移分布情況.可見明顯的溫度變化區(qū)域，布里淵頻移的變化量約為11 MHz，與10℃的溫度變化相匹配.

圖8 分布式溫度傳感測(cè)量結(jié)果Fig.8 Distributed temperature sensing measurement results

調(diào)節(jié)光纖恒溫箱的溫度至45℃，測(cè)量結(jié)果如圖9.其中，圖9(a)為布里淵拍頻譜的三維分布圖，高溫區(qū)域可明顯辨識(shí).在21℃溫差條件下，布里淵頻移量約為21 MHz;圖9(b)為布里淵頻移分布情況.數(shù)據(jù)處理過程中對(duì)布里淵拍頻譜采取平均處理，平均次數(shù)為300次.系統(tǒng)的空間分辨率可通過計(jì)算光纖溫度變化區(qū)域上升和下降時(shí)間對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度的平均值來衡量，由圖9(b)插圖可見，10% ～90%上升和下降區(qū)域的平均值為1.2 m，即系統(tǒng)空間分辨率［16］.與第2節(jié)提到相干長(zhǎng)度為88.53 cm的混沌激光在同一水平.

圖9 分布式溫度傳感測(cè)量結(jié)果Fig.9 Distributed temperature sensing measurement results

本方案中的定位原理是通過改變參考光路的延遲光纖長(zhǎng)度，每次調(diào)節(jié)參考光路光纖長(zhǎng)度后，都需調(diào)節(jié)偏振控制器(PC3和PC4)和衰減器(VA1和VA2)來調(diào)節(jié)參考光和后向布里淵散射光的偏振態(tài)與光功率，無法實(shí)現(xiàn)拍頻譜功率在相同條件下的連續(xù)性測(cè)量.因此，圖8(a)和圖9(a)中不同位置處的拍頻譜功率并不能真實(shí)反映布里淵散射信號(hào)的功率大小，致使其與圖7(a)中對(duì)恒溫箱內(nèi)固定位置點(diǎn)不同溫度下測(cè)量的拍頻譜功率大小變化不一致.

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，光纖中后向散射混沌斯托克斯光與混沌激光具有相似的混沌特性.從原理上分析，本傳感系統(tǒng)的空間分辨率等于混沌光源的相干長(zhǎng)度.然而，由于混沌泵浦光和混沌斯托克斯光在光纖中產(chǎn)生非線性效應(yīng)，使得混沌斯托克斯光與混沌參考光的相干性發(fā)生改變，即混沌斯托克斯光的線寬比混沌泵浦光窄.同時(shí)非線性放大引起退相干，導(dǎo)致相干長(zhǎng)度變長(zhǎng).對(duì)于該系統(tǒng)，空間分辨率主要取決于混沌激光的相干長(zhǎng)度，如果使用更低相干長(zhǎng)度的混沌激光作為光源，可以獲得厘米量級(jí)的空間分辨率.本實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提方案原理的可行性，由于混沌光源采用外調(diào)制產(chǎn)生，受限于EOM的調(diào)制深度，所獲得混沌光的光譜線寬較窄，相應(yīng)的相干長(zhǎng)度較長(zhǎng).后續(xù)工作可采用光域直接產(chǎn)生相干長(zhǎng)度可調(diào)節(jié)的混沌激光作為探測(cè)信號(hào)，通過選擇更寬的混沌激光光譜線寬，相應(yīng)的即可獲得短的相干長(zhǎng)度，這樣一方面寬的混沌激光光譜線寬可增加受激布里淵散射的閾值，從而提高注入到被測(cè)光纖的探測(cè)光功率以保證較長(zhǎng)的傳輸探測(cè)距離，另一方面，短的相干長(zhǎng)度可保證較高的分辨率.本課題組在前期研究中利用光反饋的方法，對(duì)自由空間結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器實(shí)現(xiàn)了相干長(zhǎng)度由幾米連續(xù)調(diào)至100 μm的激光輸出［26］.在此研究基礎(chǔ)上，下一步擬采用光纖環(huán)反饋方式，通過調(diào)節(jié)反饋強(qiáng)度與偏振狀態(tài)，有望利用尾纖輸出結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器獲得更低相干長(zhǎng)度的混沌光.本方案的定位原理是通過調(diào)節(jié)參考光路的光纖長(zhǎng)度來實(shí)現(xiàn)，具體通過不同長(zhǎng)度的延遲光纖和高分辨率的可變延遲線來調(diào)節(jié).目前，本課題組已訂購了延遲距離達(dá)到20 km的光延遲發(fā)生器(general photonics，ODG-101-12-100-1-15-SS-FCPC)，下一步將利用此光延遲發(fā)生器進(jìn)行長(zhǎng)距離的傳感測(cè)量實(shí)驗(yàn).

結(jié) 語

本研究提出一種基于混沌激光布里淵散射的相干域反射溫度傳感新方法.采用低相干長(zhǎng)度的混沌激光作為光源，利用可變光延遲線調(diào)節(jié)參考光光程，通過檢測(cè)傳感光纖不同位置的混沌布里淵散射光與參考光的干涉信號(hào)，獲得整條光纖的溫度分布信息.當(dāng)注入光功率為1.25 W時(shí)，選擇適當(dāng)?shù)钠駪B(tài)獲得155 m的傳感距離和1.2 m的空間分辨率.此裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無需昂貴的脈沖信號(hào)發(fā)生器、高頻信號(hào)微波源及電光吸收調(diào)制器，將為長(zhǎng)距離的傳感測(cè)量提供一種新方法.

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