基于SOA脈沖調(diào)制的BOTDR應(yīng)變檢測(cè)系統(tǒng)*

張 瑜,王 東*,白 清,李哲哲,王 宇,靳寶全,2

(1.太原理工大學(xué)新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030024;2.煤與煤層氣共采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 晉城 048012)

基于SOA脈沖調(diào)制的BOTDR應(yīng)變檢測(cè)系統(tǒng)*

張 瑜1,王 東1*,白 清1,李哲哲1,王 宇1,靳寶全1,2

(1.太原理工大學(xué)新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030024;2.煤與煤層氣共采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 晉城 048012)

電光調(diào)制器調(diào)制光脈沖時(shí)易受偏振態(tài)與偏壓影響,造成調(diào)制脈沖平均功率與消光比不穩(wěn)定,影響檢測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定性,實(shí)際中需通過(guò)復(fù)雜算法校正。提出半導(dǎo)體光放大器調(diào)制光脈沖的方法,通過(guò)改變注入泵浦電流調(diào)制光脈沖,采用相干探測(cè)結(jié)合微波頻率掃描方法,獲取不同頻率點(diǎn)下自發(fā)布里淵散射信號(hào),經(jīng)洛倫茲擬合得到布里淵散射譜,實(shí)現(xiàn)光纖沿線布里淵頻移解調(diào),并搭建了基于半導(dǎo)體光放大器的BOTDR分布式應(yīng)變檢測(cè)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)中選取2.943 km光纖末端施加500 με,頻移測(cè)量誤差在±0.5 MHz范圍內(nèi)。研究表明可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定應(yīng)變檢測(cè)。

應(yīng)變檢測(cè);脈沖調(diào)制;半導(dǎo)體光放大器;BOTDR;電光調(diào)制器

布里淵光時(shí)域反射BOTDR(Brillouin Optical Time Domain Reflectometry)應(yīng)變檢測(cè)技術(shù)是基于光纖中布里淵散射頻移與應(yīng)變的線性關(guān)系,采用單模光纖作為傳感與傳輸媒介,實(shí)現(xiàn)全光纖長(zhǎng)度上應(yīng)變測(cè)量[1]。該技術(shù)僅需單端探測(cè)[2],且可實(shí)現(xiàn)應(yīng)變的長(zhǎng)距離在線檢測(cè),故成為研究熱點(diǎn)并并得到廣泛應(yīng)用[3-5]。目前在BOTDR傳感系統(tǒng)中多采用電光調(diào)制器EOM(Electric Optic Modulator)調(diào)制光脈沖的方法,將連續(xù)光調(diào)制成光脈沖信號(hào)并注入傳感光纖[6-7],實(shí)際應(yīng)用中EOM的偏置電壓易受環(huán)境溫度、熱電效應(yīng)、偏振態(tài)等因素的影響而發(fā)生漂移,影響輸出光脈沖的平均功率與消光比,降低系統(tǒng)信噪比,造成測(cè)量精度降低。南京大學(xué)張旭蘋教授課題組設(shè)計(jì)了一種“步進(jìn)跟隨”算法,使BOTDR系統(tǒng)的單路動(dòng)態(tài)范圍僅有0.5 dB的波動(dòng)[8];中國(guó)計(jì)量學(xué)院胡佳成課題組提出了結(jié)合雙電極串聯(lián)結(jié)構(gòu)EOM及“掃描-步進(jìn)跟蹤”算法,實(shí)現(xiàn)脈沖消光比自動(dòng)控制,將EOM輸出脈沖光的消光比穩(wěn)定在50 dB以上[9];加拿大Jeffrey Snoddy等人將鎖相放大器及PID控制算法用于EOM偏壓點(diǎn)控制,并依據(jù)其特點(diǎn)說(shuō)明了兩種方法的適用場(chǎng)合[10]。上述方法均實(shí)現(xiàn)了EOM偏置電壓的控制,獲得消光比穩(wěn)定的光脈沖。

本文擬采用半導(dǎo)體光放大器SOA(Semiconductor Optical Amplifier)調(diào)制光脈沖,研究獲得消光比穩(wěn)定的光脈沖信號(hào)的方法,為提高BOTDR系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性提供一種新方案。SOA調(diào)制模塊內(nèi)部集成脈沖信號(hào)發(fā)生器,其優(yōu)點(diǎn)在于可提供同步輸出信號(hào),因此,可簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu),降低裝置成本。

1 脈沖調(diào)制分析

傳統(tǒng)EOM調(diào)制方法的功率傳輸特性曲線可表示為[9]:

(1)

式中:Po表示EOM的輸出光功率,Pi表示輸入光功率值,P0表示EOM的泄漏光功率值;α系數(shù)由EOM自身結(jié)構(gòu)決定;Vπ表示EOM的半波電壓,由EOM自身結(jié)構(gòu)決定,為常數(shù);V表示EOM的加載電壓值(包括直流偏置電壓與電調(diào)制信號(hào)的電壓);y0表示EOM 的偏移相位,包括初始相位和漂移相位,初始相位由EOM的自身結(jié)構(gòu)決定,漂移相位值易受環(huán)境溫度、熱電效應(yīng)等因素的影響發(fā)生變化。

EOM調(diào)制光脈沖主要利用其工作在輸出光功率最大點(diǎn)及最小點(diǎn)。當(dāng)加載直流偏置電壓為最小點(diǎn),且電調(diào)制信號(hào)加載為其半波電壓,此時(shí)可實(shí)現(xiàn)高消光比脈沖調(diào)制。但隨著時(shí)間增加,受環(huán)境溫度等影響,y0逐漸變化,使得輸出光脈沖的幅值及泄漏光功率均變化,影響消光比穩(wěn)定性。

SOA方法主要依靠泵浦電流的變化以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入光的脈沖調(diào)制。當(dāng)有泵浦電流注入時(shí),SOA有源層形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布,此時(shí)輸入光信號(hào)將引發(fā)受激輻射,進(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)放大的輸出光信號(hào);當(dāng)無(wú)泵浦電流注入時(shí),有源層未能達(dá)成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布,通過(guò)的光信號(hào)被SOA源區(qū)材料本身所吸收,無(wú)法引發(fā)受激輻射,從而不能輸出光信號(hào)[11-12]。

當(dāng)連續(xù)光與泵浦電流注入SOA時(shí),其有源層載流子濃度變化及功率傳輸可表示為[13]:

(2)

(3)

式中:N為載流子濃度,I為注入電流強(qiáng)度,q為單位電荷電量,Γ為限制因子,αint為內(nèi)部損耗,V為有源區(qū)體積,α為線寬增長(zhǎng)因子,hω0為光子能量,g(N)為增益系數(shù),vg表示粒子群速度,τc表示自發(fā)載流子壽命,z為光沿SOA有源層傳播方向,A表示光在SOA傳輸過(guò)程中的包絡(luò)變化,將其用功率及相位表位為:

(4)

式中:P表示輸出光功率,φ表示輸出光相位,i為虛數(shù)單位。

將式(4)代入式(2)、(3),可得光功率及光相位隨傳輸位置的變化:

(5)

(6)

對(duì)式(4)、(5)兩邊積分,可得輸出光功率Po(t)及相位φo(t)隨時(shí)間的變化:

(7)

(8)

由式(7)、式(8)可知,輸出光信號(hào)的功率及相位僅與SOA的增益有關(guān),即與有源層載流子濃度變化有關(guān)。當(dāng)施加一定周期和占空比的脈沖(大于幾皮秒)泵浦電流時(shí),載流子濃度服從準(zhǔn)穩(wěn)Fermi-Dirac分布,可忽略載流子加熱、光譜燒孔等效應(yīng)[14],因此,溫度對(duì)增益的影響可忽略,輸出光脈沖的平均功率較穩(wěn)定,對(duì)輸出光脈沖的消光比影響較小。

2 實(shí)驗(yàn)方案

為分析對(duì)比EOM和SOA對(duì)系統(tǒng)的影響,搭建了如圖1所示的BOTDR分布式光纖應(yīng)變檢測(cè)系統(tǒng)。窄線寬激光器(線寬100 kHz)發(fā)出連續(xù)光,經(jīng)90∶10的光纖耦合器分為兩路,其中光功率占比為10%的一路為本征參考光,光功率占比為90%的一路為探測(cè)光。脈沖調(diào)制模塊將探測(cè)光調(diào)制成脈寬為10 ns,周期為125 μs的探測(cè)脈沖,經(jīng)由脈沖光放大器放大,光濾波器1濾除ASE噪聲后,經(jīng)光環(huán)形器注入傳感光纖。其后向散射光經(jīng)放大并濾除ASE噪聲后,與本征參考光通過(guò)50∶50光纖耦合器進(jìn)入光電探測(cè)器2,實(shí)現(xiàn)相干探測(cè)。此外,為消除偏振態(tài)對(duì)拍頻信號(hào)的影響,本征參考光路增加了擾偏器。

光電探測(cè)器2輸出的電信號(hào),經(jīng)帶通濾波器、低噪放大器處理后,進(jìn)入混頻器與微波本振信號(hào)混頻。混頻后的信號(hào)通過(guò)帶通濾波器,并經(jīng)檢波器完成功率測(cè)量后進(jìn)入示波器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。通過(guò)不斷改變微波源的輸出頻率,獲取不同頻率點(diǎn)下的時(shí)序曲線,最后利用洛倫茲擬合算法,提取不同位置點(diǎn)的布里淵頻移。

圖1 布里淵光時(shí)域反射(BOTDR)的應(yīng)變傳感系統(tǒng)

3 實(shí)驗(yàn)分析

分別采用EOM與SOA作為脈沖調(diào)制模塊,在二者均沒(méi)有任何優(yōu)化方案下,用功率計(jì)采集2 h內(nèi)EOM與SOA輸出脈沖平均功率,結(jié)果如圖3所示。

圖2 輸出平均功率監(jiān)測(cè)方案

圖3 SOA與EOM輸出平均光功率對(duì)比

圖3中,EOM的輸出平均光功率隨時(shí)間逐漸增大,2 h內(nèi)由0.5 μW增加至17 μW;而SOA輸出平均光功率在2 h內(nèi)波動(dòng)較小,約為5 nW。這是由于EOM內(nèi)部鈮酸鋰晶體狀態(tài)受到環(huán)境溫度、熱電效應(yīng)等因素的影響,最終導(dǎo)致其輸出光脈沖消光比惡化,輸出平均光功率增加。

為進(jìn)一步驗(yàn)證輸出光脈沖消光比的穩(wěn)定性對(duì)時(shí)序信號(hào)的影響,采用圖1所示的BOTDR應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng),分別利用SOA與EOM調(diào)制探測(cè)光脈沖,間隔5 min采集同一頻率點(diǎn)下不同時(shí)刻的檢波器輸出幅值信號(hào)。兩種調(diào)制方案下,所得同一頻率不同時(shí)刻下的時(shí)序信號(hào)分別如圖4(a)、(b)所示。

圖4 同一頻率點(diǎn)不同時(shí)刻幅值曲線(EOM、SOA)

圖4(a)中,隨著EOM工作時(shí)間增加(箭頭方向),500 m處該頻率點(diǎn)下檢波器輸出幅值由0.789 V下降至0.728 V,其他位置幅值也逐漸下降;而圖4(b)中,同條件下的幅值基本穩(wěn)定在0.8 V。因此,脈沖消光比不穩(wěn)定會(huì)使時(shí)序曲線發(fā)生漂移。

實(shí)驗(yàn)選用G652單模光纖作為傳感光纖,總長(zhǎng)約為2.943 18 km,其中FUT1和FUT3分別約為2.819 km、123 m,處于松弛狀態(tài),FUT2約為1.18 m,兩端固定于精密平移臺(tái)上施加拉伸應(yīng)變。分別采用SOA與EOM脈沖調(diào)制方案,施加500 με,4 h內(nèi)對(duì)光纖沿程布里淵頻移進(jìn)行測(cè)試(每次間隔0.5 h)。

實(shí)驗(yàn)中首先進(jìn)行0 με標(biāo)定,之后在FUT2光纖上施加500 με。在該應(yīng)變下以步進(jìn)方式改變本振微波源的輸出頻率完成對(duì)布里淵增益譜的掃描,用示波器采集不同頻率點(diǎn)下的時(shí)序信號(hào)。通過(guò)數(shù)據(jù)處理,得到不同位置處的布里淵散射譜,進(jìn)行洛倫茲擬合得到其相應(yīng)的布里淵頻移沿光纖分布情況,如圖5(a)、(b)所示。

圖5 布里淵頻移多次測(cè)量結(jié)果

圖5(a)中,選用SOA脈沖調(diào)制方案,8次測(cè)量光纖沿程布里淵頻移基本一致,未施加應(yīng)變的區(qū)域頻移波動(dòng)為±1.472 MHz,由光纖本身存在的應(yīng)力分布和系統(tǒng)噪聲造成。2 818 m～2 823 m,布里淵頻移的變化及位置基本不變,系統(tǒng)檢測(cè)到的應(yīng)變發(fā)生區(qū)間長(zhǎng)度為1.23 m,與實(shí)測(cè)值相差0.17‰。圖5(b)中,選用EOM脈沖調(diào)制方案,隨著時(shí)間的增加,受環(huán)境溫度、熱電效應(yīng)等影響,信噪比逐漸下降,最終導(dǎo)致無(wú)法檢測(cè)應(yīng)變值。

對(duì)圖5(a)中2.82 km處布里淵頻移分布分析,如圖6所示,頻移測(cè)量誤差在±0.5 MHz范圍內(nèi)。

以Δ=500 με為步進(jìn),對(duì)FUT2段光纖逐步施加0 με～3 000 με的拉伸應(yīng)變。選用SOA脈沖調(diào)制方案,實(shí)驗(yàn)得到不同應(yīng)變下的光纖沿程布里淵頻移分布曲線如圖7所示。

圖6 2.82 km處多次測(cè)量布里淵頻移分布

圖7 光纖沿程布里淵頻移分布曲線(不同應(yīng)變)

圖7中,應(yīng)變線性增加,2 820 m處布里淵頻移也相應(yīng)線性增加。取該位置布里淵頻移,并計(jì)算其與初始應(yīng)變布里淵頻移差值,對(duì)其進(jìn)行線性擬合。所得待測(cè)光纖布里淵頻移變化與其應(yīng)變改變量關(guān)系如圖8所示。

圖8 布里淵頻移變化與應(yīng)變改變量關(guān)系

圖8中布里淵頻移變化與其應(yīng)變改變量的線性系數(shù)為5.04 MHz/100 με,與理論值吻合。線性擬合后判定系數(shù)為0.994 17(最佳值為1),即布里淵頻移改變量與應(yīng)變具有較好的線性關(guān)系。

圖9為3 000 με時(shí),2.81 km～2.828 km區(qū)間的三維布里淵散射譜。2.82 km處,布里淵散射譜峰值對(duì)應(yīng)的頻率值由10.71 GHz變化至10.86 GHz,與圖7一致。

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知,選取2.943 km傳感光纖末端施加應(yīng)變,獲得了1.1 m的空間分辨率(應(yīng)變區(qū)光纖段的上升和下降區(qū)域的10%～90%間的時(shí)間差所對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度(以米為單位)的平均值)。檢測(cè)同一應(yīng)變時(shí),布里淵頻移值誤差在±0.5 MHz范圍內(nèi),即±10 με范圍內(nèi),故可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定應(yīng)變檢測(cè)。

圖9 2.81 km～2.828 km區(qū)間三維布里淵散射譜(3 000 με)

4 結(jié)論

本文分析了EOM與SOA調(diào)制脈沖輸出平均功率的穩(wěn)定性及某一固定頻率點(diǎn)下的時(shí)序曲線,由此得出,利用SOA可得到消光比穩(wěn)定的脈沖,并對(duì)比了同一應(yīng)變下兩種方案檢測(cè)結(jié)果。在此基礎(chǔ)上,搭建了基于SOA脈沖調(diào)制的BOTDR應(yīng)變檢測(cè)系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)中選取傳感光纖2.943 km末端1.18 m光纖施加了0～3 000 με。結(jié)果表明系統(tǒng)可進(jìn)行準(zhǔn)確的應(yīng)變測(cè)量,空間分辨率為1.1 m,同一應(yīng)變布里淵頻移誤差在±0.5 MHz范圍內(nèi),故系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的應(yīng)變檢測(cè)。

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BOTDRStrainDetectionSystemBasedonSOAPulseModulation*

ZHANGYu1,WANGDong1*,BAIQing1,LIZhezhe1,WANGYu1,JINBaoquan1,2

(1.Key Laboratory of Advanced Transducers and Intelligent Control Systems,Ministry of Education and Shanxi Province,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;2.Coal and Coal Methane Simultaneous Extraction National Key Laboratory,Jincheng Shanxi 048012,China)

The light pulse modulated by Electric Optic Modulator(EOM)is susceptible to polarization and bias problems,which may cause the instability of average power and extinction ratio of the modulated pulse.Thus,the stability of detecting system is influenced,which needs to be corrected by complex algorithms. In this paper,we propose a new method that modulates probe optical pulse using a semiconductor optical amplifier(SOA)by changing the pump current. The coherent detection combined with the microwave frequency scanning method is used to obtain the spontaneous Brillouin scattering signal at different frequencies,and the scattering spectrum is obtained by Lorenz fitting to demodulate the frequency shift along the optical fiber. Finally,a BOTDR distributed strain detecting system based on SOA is built,and a strain of 500 με is imposed at the end of 2.943 km fiber. The experimental results show that a stable strain detection is achieved with a measurement error in range of ±0.5 MHz.

strain detection;pulse modulation;semiconductor optical amplifier;BOTDR;electric optic modulator

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.12.028

項(xiàng)目來(lái)源:燃?xì)夤芫W(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與示范項(xiàng)目(MQ2014-09);復(fù)雜地質(zhì)條件下煤層氣輸送管路安全監(jiān)測(cè)與預(yù)警項(xiàng)目(2015012005);拉曼散射提升布里淵光纖傳感檢測(cè)性能研究項(xiàng)目(201601D021068);利用布里淵光時(shí)域反射技術(shù)實(shí)現(xiàn)燃?xì)忾L(zhǎng)輸管道裂紋與異常形變的在線無(wú)損檢測(cè)項(xiàng)目(2016BY066)

2017-05-09修改日期2017-08-18

TP211+.6;TP23;TP212

A

1004-1699(2017)12-1954-05

張瑜(1994-),女,山西運(yùn)城人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)榉植际焦饫w傳感技術(shù),zhangyusnow@126.com;

王東(1985-),導(dǎo)師,通訊作者,男,安徽廬江人,博士,副教授,主要從事光電信息與儀器工程等方面的研究,wangdongwind@gmail.com。