布里淵動(dòng)態(tài)光柵原理及其在光纖傳感中的應(yīng)用?

董永康 周登望 滕雷 姜桃飛 陳曦

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)可調(diào)諧激光技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱 150001)

Dong Yong-Kang?Zhou Deng-Wang Teng LeiJiang Tao-FeiChen Xi

(National Key Laboratory of Science and Technology on Tunable Laser,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China)

1 引 言

分布式布里淵光纖傳感最早于20世紀(jì)80年代末期提出,這種技術(shù)提出的最初目的是發(fā)展一種新型的光時(shí)域反射計(jì)用于測(cè)量光纖的損耗[1].很快人們發(fā)現(xiàn)它可以用于傳感,因?yàn)椴祭餃Y散射對(duì)溫度和應(yīng)變都很敏感[2?4].在傳感方案上,主要包括布里淵光時(shí)域分析(Brillouin optical time-domain analysis,BOTDA)和布里淵光時(shí)域反射[5,6],布里淵光相關(guān)域分析和布里淵光相關(guān)域反射[7,8].相關(guān)域布里淵傳感技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)是具有高達(dá)1 mm的空間分辨率,但是由于是逐點(diǎn)測(cè)量導(dǎo)致存在測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)和測(cè)量距離較短的問(wèn)題.時(shí)域布里淵傳感技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅速,尤其是BOTDA技術(shù)在空間分辨率、測(cè)量距離和測(cè)量時(shí)間上都有較大的進(jìn)步,目前空間分辨率可以達(dá)到2 cm[9],測(cè)量距離達(dá)到150 km[10],并且測(cè)量時(shí)間大為減小,可以實(shí)現(xiàn)kHz量級(jí)的動(dòng)態(tài)測(cè)量[11].這些技術(shù)的進(jìn)步大幅拓展了BOTDA的應(yīng)用領(lǐng)域,使其可以應(yīng)用于石油天然氣管道和存儲(chǔ)罐的漏油和變形監(jiān)測(cè),海底或陸地高壓電纜的溫度和應(yīng)變監(jiān)測(cè),地質(zhì)災(zāi)害的分布式監(jiān)測(cè),橋梁、大壩和隧道等大型建筑物的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè),飛行器和航天器的飛行狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及火災(zāi)報(bào)警等.

但是,傳統(tǒng)的分布式布里淵光纖傳感仍然有些局限,比如測(cè)量的物理量?jī)H限于溫度和應(yīng)變,而且測(cè)量的精度限制在1°C或20με.近年來(lái),新型的布里淵動(dòng)態(tài)光柵(Brillouin dynamic grating,BDG)技術(shù)引起了人們的極大興趣,可以實(shí)現(xiàn)更高精度和多參量的分布式光纖傳感.2007年,美國(guó)羅切斯特大學(xué)Boyd等[12]在《Science》上撰文首次提出采用BDG實(shí)現(xiàn)光存儲(chǔ),該方法的思想是把光信號(hào)存儲(chǔ)到聲波中(即布里淵動(dòng)態(tài)光柵),然后通過(guò)讀取光脈沖再把聲波信號(hào)還原成光信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)了光信號(hào)的存儲(chǔ).2012年,瑞士聯(lián)邦工學(xué)院的Thevenaz課題組[13]提出了基于BDG的可調(diào)諧、可重構(gòu)的微波光子濾波器,濾波器的中心頻率和帶寬均可以通過(guò)改變BDG的參數(shù)來(lái)調(diào)諧;2013年,該課題組又提出了基于BDG的全光信號(hào)處理,成功地直接在光域上實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的微分、積分和時(shí)間反演[14].在分布式光纖傳感應(yīng)用方面,2009年,日本東京大學(xué)Hotate等[15,16]提出基于BDG的分布式溫度和應(yīng)變光纖傳感,該方法通過(guò)BDG測(cè)量高雙折射保偏光纖中的雙折射的變化實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變測(cè)量,而且測(cè)量精度比傳統(tǒng)的布里淵頻移法高一個(gè)量級(jí)以上;結(jié)合BDG和布里淵頻移兩種方法可以實(shí)現(xiàn)基于保偏光纖的溫度和應(yīng)變雙參數(shù)同時(shí)測(cè)量技術(shù)[15,17].2013年,我們提出了基于BDG實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離保偏光纖雙折射分布式測(cè)量方案,并提出把該方法應(yīng)用于高精度光纖陀螺環(huán)的檢測(cè)[18,19];2014年,我們實(shí)現(xiàn)了基于BDG的超高分辨光譜分析的概念性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)上獲得了0.5 MHz(4 fm)的光譜分辨率,可用于高精度光纖傳感[20];在2015年和2016年,我們分別提出了基于BDG的分布式橫向壓力和分布式氣壓傳感[21,22].

本文從理論上探討布里淵動(dòng)態(tài)光柵產(chǎn)生和探測(cè)原理,并綜述近些年該技術(shù)在高性能分布式光纖傳感方面應(yīng)用的研究進(jìn)展.

2 理論分析

BDG本質(zhì)上是由相干聲波場(chǎng)激發(fā)的折射率光柵,如圖1所示,一般情況下兩束抽運(yùn)光(抽運(yùn)光1和抽運(yùn)光2,頻率差等于布里淵頻移)以相同的偏振態(tài)(x-plo.)從光纖兩端注入到光纖中,通過(guò)受激布里淵散射效應(yīng)激發(fā)出相干聲波場(chǎng),即形成BDG;同時(shí),探測(cè)光以正交偏振態(tài)(y-plo.)注入到光纖中,當(dāng)探測(cè)光與抽運(yùn)光1的頻率差(正比于光纖的雙折射)滿足相位匹配條件時(shí),就會(huì)被BDG反射形成反射光.圖1還給出了四束光波的頻率關(guān)系,由于BDG是和高頻的抽運(yùn)光1同方向移動(dòng)的光柵,反射光和探測(cè)光之間會(huì)有一個(gè)多普勒頻移,數(shù)值上等于布里淵頻移.

圖1 布里淵動(dòng)態(tài)光柵的激發(fā)和探測(cè)Fig.1.The excitation and detection of Brillouin dynamic grating.

考慮到慢包絡(luò)幅度近似,我們可以用由四束光波和一個(gè)聲波場(chǎng)組成的耦合波方程組來(lái)描述BDG的激發(fā)和探測(cè)過(guò)程[23]:

其中,Ej(j=1:4)是光波的電場(chǎng)強(qiáng)度;ρ為聲波場(chǎng)強(qiáng)度;nx和ny分別為光纖慢軸和快軸的折射率;g0為光波場(chǎng)間的耦合系數(shù);ga為聲光耦合系數(shù);gB=4goga/ΓB光纖的布里淵增益因子;α為光纖的吸收系數(shù);Δk為四束光波的相位失諧量.

對(duì)于由連續(xù)抽運(yùn)光產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)均勻型BDG,我們可以通過(guò)簡(jiǎn)化模型獲得BDG反射光E4的解析解.忽略抽運(yùn)抽空作用,抽運(yùn)光E1和E2可以認(rèn)為是常數(shù),其他光波沿光纖的衰減項(xiàng)和時(shí)間的求導(dǎo)

項(xiàng)可以忽略,則方程組(1)可以簡(jiǎn)化為:

求解方程組(2)可得:

對(duì)于穩(wěn)態(tài)BDG,它的反射率為

首先,我們對(duì)BDG反射譜的數(shù)值仿真結(jié)果和解析解進(jìn)行對(duì)比分析,采用保偏光纖作為BDG產(chǎn)生的介質(zhì),具體仿真參數(shù)列于表1.

表1 仿真參數(shù)Table1 Simulation parameters.

BDG歸一化的反射譜如圖2(a)所示,黑色實(shí)線和方塊點(diǎn)線分別對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度0.5 m BDG反射譜的解析解和數(shù)值仿真結(jié)果,藍(lán)色實(shí)線和三角點(diǎn)線分別對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度1.0 m BDG反射譜的解析解和數(shù)值仿真結(jié)果.可以看出,解析解和數(shù)值仿真結(jié)果相符合.BDG反射譜半高全寬(full-width at halfmaximum,FWHM)和長(zhǎng)度之間的關(guān)系如圖2(b)所示,由解析方法所得數(shù)據(jù)(藍(lán)色方塊,對(duì)數(shù)坐標(biāo))顯示,隨著BDG長(zhǎng)度從0.01 m增加到1000 m,其反射譜的線寬會(huì)從10 GHz量級(jí)逐漸減小到亞MHz量級(jí).

圖2 (a)BDG的歸一化反射譜;(b)反射譜線寬與長(zhǎng)度之間的關(guān)系Fig.2.(a)The normalized BDG spectra;(b)the spectral width FWHM as a function of length.

3 布里淵動(dòng)態(tài)光柵在光纖傳感中的應(yīng)用

3.1 保偏光纖雙折射分布式測(cè)量

在保偏光纖中,與纖芯平行的應(yīng)力棒引起的附加應(yīng)力使保偏光纖的兩個(gè)主軸之間產(chǎn)生較大的雙折射,因而避免了在兩個(gè)主軸中傳播的偏振態(tài)垂直的兩束線偏振光之間的耦合.在BDG的激發(fā)和探測(cè)過(guò)程中,首先把兩束抽運(yùn)光注入到保偏光纖的一個(gè)主軸里通過(guò)受激布里淵散射激發(fā)出BDG;然后,探測(cè)光被注入到另一個(gè)主軸里探測(cè)該光柵.其中,當(dāng)探測(cè)光與光柵的傳播方向相同時(shí),探測(cè)光就會(huì)在光柵上發(fā)生相干斯托克斯散射,反射光的頻率比探測(cè)光低一個(gè)布里淵頻移;相反,當(dāng)探測(cè)光與光柵的傳播方向相反,探測(cè)光就會(huì)在光柵上發(fā)生相干反斯托克斯散射,反射光的頻率比探測(cè)光高一個(gè)布里淵頻移.相干斯托克斯過(guò)程會(huì)加強(qiáng)已經(jīng)產(chǎn)生的光柵,而相干反斯托克斯過(guò)程會(huì)消耗已經(jīng)產(chǎn)生的光柵.

當(dāng)探測(cè)光和抽運(yùn)光1(這里假設(shè)抽運(yùn)光1與探測(cè)光的傳播方向一樣)滿足相位匹配條件的時(shí)候,探測(cè)光就會(huì)在光柵上得到最大的反射,其中相位匹配條件為[18]

其中,ΔνBire是雙折射頻移,即獲得最大反射率時(shí)探測(cè)光與抽運(yùn)光1之間的頻差,Δn是保偏光纖的相雙折射,ng是光纖的群折射率,ν是探測(cè)光的頻率.(5)式表明雙折射頻移和保偏光纖雙折射之間存在線性關(guān)系,通過(guò)激發(fā)和探測(cè)BDG就可以測(cè)量雙折射頻移,從而實(shí)現(xiàn)保偏光纖雙折射的測(cè)量.一般保偏光纖中的雙折射頻移在40—90 GHz之間,這個(gè)值會(huì)隨著光纖的種類不同而有所變化.

為了避免在激發(fā)BDG時(shí)發(fā)生抽運(yùn)抽空效應(yīng),從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離光纖的測(cè)量,一般采用如圖3所示的激發(fā)和探測(cè)方案[19].兩束抽運(yùn)光包括脈沖抽運(yùn)光1和連續(xù)抽運(yùn)光2,采用脈沖抽運(yùn)光1可以有效減弱抽運(yùn)抽空效應(yīng),同時(shí)為了有效激發(fā)BDG,脈沖寬度一般需要大于聲子壽命(～10 ns).在脈沖抽運(yùn)光1之后,緊接著注入探測(cè)脈沖來(lái)讀取光柵,通過(guò)掃描探測(cè)光的頻率就可以獲得BDG的反射譜和雙折射頻移,其中測(cè)量空間分辨率由探測(cè)光脈沖寬度決定.

圖4是采用2 ns探測(cè)脈沖測(cè)量的兩種典型BDG反射譜(偏置了雙折射頻移,即譜的中心位于零頻率處),2 ns的脈沖對(duì)應(yīng)了20 cm的空間分辨率.圖4(a)對(duì)應(yīng)了雙折射均勻區(qū)域,也就是說(shuō)在20 cm范圍內(nèi)光纖雙折射變化很小,因此測(cè)量的結(jié)果與仿真符合得很好;但是如果20 cm范圍內(nèi)雙折射有較大的起伏,就會(huì)導(dǎo)致BDG反射譜產(chǎn)生非均勻展寬,典型結(jié)果如圖4(b)所示.

圖3 基于BDG的長(zhǎng)距離保偏光纖雙折射分布式測(cè)量方案Fig.3.Schematic diagram of excitation and readout of a BDG for distributed measurement of the birefringence of a long-range PMF.

圖4 典型的BDG反射譜 (a)均勻雙折射區(qū)域;(b)非均勻雙折射區(qū)域;探測(cè)光脈沖寬度2 nsFig.4.Typical measured BDG spectra of(a)a uniform fiber section;(b)a nonuniform fiber section,and simulations(solid curves).The duration of the probe pulse is 2 ns.

圖5(a)顯示了一段500 m保偏光纖雙折射分布式測(cè)量結(jié)果,該光纖纏繞在直徑為15.6 cm(周長(zhǎng)49 cm)的卷軸上.從圖中可以看出雙折射沿光纖縱向呈現(xiàn)不均勻分布,變化范圍是3.6869—3.5772×10?4,起伏達(dá)3%.這種雙折射不均勻分布有著多種因素,可能包括光纖預(yù)制棒材料的不均勻,光纖拉制過(guò)程不均勻受力,光纖涂覆層的不均勻,同時(shí)光纖在纏繞時(shí)不均勻縱向拉力和橫向壓力也會(huì)導(dǎo)致雙折射的起伏,從圖5(b)中可以很清楚地看到對(duì)應(yīng)于卷軸周長(zhǎng)49 cm的振蕩.

圖5 (a)500 m保偏光纖雙折射分布式測(cè)量結(jié)果;(b)40—60 m段的詳細(xì)結(jié)果Fig.5.The measured birefringence over(a)the entire 500-m FUT;(b)the segment of 40–60 m.

3.2 高靈敏度溫度和應(yīng)變測(cè)量

研究表明,外界的溫度變化和對(duì)光纖軸向施加的應(yīng)變都會(huì)導(dǎo)致光纖雙折射的變化.通過(guò)對(duì)保偏光纖中雙折射頻移的測(cè)量可以進(jìn)行溫度和應(yīng)變的監(jiān)測(cè).

圖6給出了一種熊貓型保偏光纖在不同溫度下BDG反射譜及其雙折射頻移隨溫度的變化關(guān)系[17].圖6(a)中的BDG反射譜呈高斯型分布,FWHM譜寬約為640 MHz.圖6(b)中的雙折射頻移與溫度的變化關(guān)系給出了溫度系數(shù)為CTBire=?54.38 MHz/°C.由于溫度的升高會(huì)使附加的應(yīng)力得到釋放,減小了光纖的雙折射,從而得到一個(gè)負(fù)溫度系數(shù).

圖6 (a)不同溫度下的布里淵光柵反射譜;(b)雙折射頻移與溫度的變化關(guān)系Fig.6.(a)Measured BDG spectra at different temperatures;(b)the dependence of BireFS on temperature.

圖7 (a)不同應(yīng)變下的布里淵光柵反射譜;(b)雙折射頻移與應(yīng)變的變化關(guān)系Fig.7.(a)Measured BDG spectra at different strains;(b)the dependence of BireFS on strain.

圖7給出了這種熊貓型保偏光纖在不同應(yīng)變下BDG反射譜及其雙折射頻移隨應(yīng)變的變化關(guān)系.圖7(b)中的雙折射頻移與應(yīng)變的變化關(guān)系表明雙折射頻移與應(yīng)變也有很好的線性關(guān)系,其應(yīng)變系數(shù)為CεBire=1.13 MHz/με.對(duì)光纖施加縱向的應(yīng)力加強(qiáng)了應(yīng)力棒的附加應(yīng)力,增加了光纖的雙折射,因而得到一個(gè)正應(yīng)變系數(shù).

一般單模光纖中的布里淵頻移的溫度系數(shù)和應(yīng)變系數(shù)分別為CTB=1.12 MHz/°C和CεB=0.0482 MHz/με.由此我們可以看出保偏光纖中的雙折射頻移的溫度系數(shù)和應(yīng)變系數(shù)分別是布里淵頻移的50倍和20倍.因此,基于BDG測(cè)量雙折射頻移的溫度和應(yīng)變傳感器具有比傳統(tǒng)布里淵散射傳感器更高的靈敏度.

3.3 溫度和應(yīng)變同時(shí)解調(diào)技術(shù)

對(duì)于傳統(tǒng)的布里淵光纖傳感器而言,溫度和應(yīng)變的測(cè)量會(huì)存在串?dāng)_的問(wèn)題,即溫度和應(yīng)變都會(huì)導(dǎo)致布里淵頻移的變化,因此無(wú)法準(zhǔn)確知道待測(cè)的溫度或應(yīng)變.一般情況下,需要再引入一個(gè)獨(dú)立的可測(cè)量的量進(jìn)行溫度和應(yīng)變的解調(diào)從而實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變的同時(shí)測(cè)量.以前文獻(xiàn)中曾報(bào)道過(guò)用布里淵散射功率作為第二個(gè)測(cè)量的量進(jìn)行溫度和應(yīng)變的解調(diào),但是測(cè)量精度被大幅降低.在這里我們看到,保偏光纖的雙折射頻移可以作為第二個(gè)測(cè)量量來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變的同時(shí)解調(diào).而且,由于雙折射頻移具有負(fù)溫度系數(shù),因而可以實(shí)現(xiàn)高精度的溫度和應(yīng)變解調(diào)[17].

在受外界的溫度和應(yīng)變變化條件下,布里淵頻移和雙折射頻移ΔνB和ΔνBire可以表示為

其中,Δε和ΔT是施加的應(yīng)變和溫度改變量,和分別是布里淵頻移的應(yīng)變系數(shù)和溫度系數(shù),和分別是雙折射頻移的應(yīng)變系數(shù)和溫度系數(shù).對(duì)方程(6)進(jìn)行求解可以唯一地得到溫度和應(yīng)變,即

6 m熊貓型保偏光纖的布局如圖8所示,其中有1 m的應(yīng)變段、1 m的加熱段以及它們中間的在室溫及松弛狀態(tài)下的1 m光纖.應(yīng)變段中施加的應(yīng)變?yōu)?70με,加熱段的溫度比室溫高30°C.

圖8 傳感光纖布局Fig.8.Layout of the 6-msensing fiber.

實(shí)驗(yàn)上測(cè)到的布里淵頻移和雙折射頻移如圖9(a)所示,我們可以看到基于布里淵頻移和雙折射頻移方法均具有20 cm的空間分辨率.利用所測(cè)的布里淵頻移,雙折射頻移以及它們的溫度和應(yīng)變系數(shù),我們可以同時(shí)得到光纖上的溫度和應(yīng)變分布,其結(jié)果如圖9(b)所示.很清楚地可以看出傳感光纖上的溫度和應(yīng)變分布被互相解調(diào)出來(lái),其中只有在有應(yīng)變和無(wú)應(yīng)變、加熱和室溫的交界處存在一些誤差,這些誤差是由于系統(tǒng)的空間分辨率限制產(chǎn)生的.

圖9 (a)測(cè)量的布里淵頻移和雙折射頻移;(b)解調(diào)后的溫度和應(yīng)變分布Fig.9.(a)Measured ΔυBand ΔυBire;(b)calculated temperature and strain.

3.4 分布式橫向壓力傳感

土木結(jié)構(gòu)和大型機(jī)械在建造和使用過(guò)程中難免會(huì)受到自重和外部撞擊產(chǎn)生的橫向壓力的作用,因此,實(shí)際生產(chǎn)中需要一種可靠、高效的橫向壓力傳感器.傳統(tǒng)的光纖橫向壓力傳感器主要是基于光纖光柵(FBG)技術(shù)和干涉儀技術(shù),這類橫向壓力傳感器制作簡(jiǎn)單,具有很高的靈敏度.但是現(xiàn)有的光纖橫向壓力傳感器屬于點(diǎn)式傳感器,不能進(jìn)行分布式測(cè)量,不能同時(shí)獲得測(cè)試空間內(nèi)的全部信息.

當(dāng)傳感光纖受到橫向壓力作用時(shí),由于彈光效應(yīng),光纖的雙折射會(huì)發(fā)生變化.利用布里淵動(dòng)態(tài)光柵技術(shù)測(cè)量光纖雙折射的變化可以實(shí)現(xiàn)對(duì)橫向壓力的測(cè)量.圖10所示為我們自行設(shè)計(jì)的橫向壓力施加平臺(tái).實(shí)驗(yàn)光纖包括傳感光纖和支撐光纖,兩根光纖平行放置,其上覆蓋一個(gè)20 cm長(zhǎng)的玻璃板,在玻璃板上放置不同質(zhì)量的砝碼來(lái)施加橫向壓力.傳感光纖和支撐光纖是同一種型號(hào),砝碼放置在兩根光纖中間以保證它們均勻受力.傳感光纖的兩端固定在可轉(zhuǎn)動(dòng)的基座上,通過(guò)旋轉(zhuǎn)基座來(lái)調(diào)整施加的橫向壓力與光纖主軸之間的相對(duì)方向[21].

圖10 橫向壓力施加裝置Fig.10.Setup with load weight applied.

圖11 雙折射頻移與橫向壓力的關(guān)系 (a)施加不同壓力方向;(b)施加不同壓力值Fig.11.Relations between BireFS and transverse load:(a)Various load direction;(b)various load weight.

圖11為雙折射頻移變化量與不同橫向壓力之間的關(guān)系.通過(guò)旋轉(zhuǎn)基座可以調(diào)整施加的橫向壓力與光纖主軸之間的相對(duì)方向,測(cè)量結(jié)果如圖11(a)所示,從圖中可以看出雙折射頻移變化量與壓力方向呈正弦變化關(guān)系,當(dāng)壓力方向與光纖慢軸方向一致時(shí)(即圖中的50°或230°),雙折射增加量最大;當(dāng)壓力方向與光纖快軸方向一致時(shí)(即圖中的140°或320°),雙折射減小量最大.圖11(b)所示為當(dāng)壓力方向與光纖慢軸(或快軸)方向一致時(shí),雙折射頻移變化量與不同橫向壓力值之間的線性關(guān)系,當(dāng)沿光纖快軸方向時(shí)施加橫向壓力時(shí),橫向壓力靈敏度為?6.217 GHz/N·mm?1,而沿光纖慢軸方向施加壓力是,靈敏度為6.28 GHz/N·mm?1.結(jié)合雙折射頻移最小測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差5 MHz,可以得到最大測(cè)量精度為0.8×10?3N/mm.

圖12為橫向壓力分布測(cè)量結(jié)果,其中綠線和紅線分別表示施加壓力前后的雙折射測(cè)量結(jié)果,通過(guò)對(duì)這兩個(gè)結(jié)果做差處理就可以得到由壓力引起的雙折射變化,從而解調(diào)出的分布式橫向壓力,如藍(lán)線所示.在1 m處附近有一段20 cm的光纖沿著慢軸方向施加一個(gè)壓力,在3 m處附近有一段20 cm的光纖沿著快軸方向施加一個(gè)壓力,兩個(gè)壓力均為2.3×10?2N/mm.從圖中可以清楚地看到施加橫向壓力的位置、大小和方向.

圖12 橫向壓力分布測(cè)量結(jié)果,其中綠線和紅線分別表示施加壓力前后的雙折射測(cè)量結(jié)果,藍(lán)線是解調(diào)出的分布式壓力Fig.12.Distributed transverse load measurements,where the green line and red line represent the measured BireFS with and without loads,respectively,and the blue line represents the BireFS difference and transverse load.

3.5 分布式靜壓力傳感

目前,光纖靜壓力(氣壓或液壓)傳感器主要包括基于FBG技術(shù)、法布里珀羅腔(FP)技術(shù)或光纖干涉儀技術(shù)等方案,但是主要問(wèn)題是無(wú)法實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量.分布式氣壓傳感有著非常重要的應(yīng)用,尤其是在油井的監(jiān)測(cè)應(yīng)用,井下環(huán)境比較惡劣,溫度可達(dá)幾百攝氏度,壓力可達(dá)100 MPa,克服溫度的影響精確測(cè)量分布式壓力對(duì)于提高采油效率有著重要的意義.對(duì)于高雙折射的保偏光纖,在壓力的作用下,光纖雙折射會(huì)發(fā)生改變,通過(guò)BDG技術(shù)測(cè)量受壓區(qū)域雙折射的變化,可以進(jìn)而對(duì)氣壓變化進(jìn)行探測(cè).

在進(jìn)行氣壓傳感實(shí)驗(yàn)時(shí),我們采用的測(cè)試光纖為如圖13所示的保偏光子晶體光纖(polarizationmaintaining photonics crystal fiber,PM-PCF)[22].這種光纖具有多孔結(jié)構(gòu),更容易受到氣壓影響而產(chǎn)生形變,從而引起雙折射發(fā)生較大的改變;它由純二氧化硅材料制成,相比于傳統(tǒng)的應(yīng)力型保偏光纖(比如熊貓型和領(lǐng)結(jié)型)具有更低的雙折射溫度系數(shù).因此,采用PM-PCF作為壓力傳感光纖,一方面可以獲得較高的壓力靈敏度,另一方面可以盡量減小溫度對(duì)壓力測(cè)量的影響.圖13所示為4 m PM-PCF光纖的布局,其中有兩段20 cm的加壓段、一段20 cm的加熱段,其他部分處在室溫和松弛狀態(tài).利用圖13(b)中所示的高壓氣池對(duì)加壓部分光纖施加不同的氣壓進(jìn)行氣壓傳感實(shí)驗(yàn),在加熱段改變溫度討論溫度對(duì)測(cè)試的影響.

圖13 (a)氣壓實(shí)驗(yàn)傳感光纖布局;(b)自行設(shè)計(jì)的高壓氣池Fig.13. (a)the layout of the FUT;(b)the selfdesigned pressure vessel.

圖14所示為PM-PCF光纖雙折射頻移與溫度的變化關(guān)系,其中溫度變化范圍是?40°C—70°C.從圖中可以看出,在110°C的變溫條件下,雙折射頻移僅改變～180 MHz,對(duì)比而言,傳統(tǒng)的熊貓型光纖4°C的溫度變化就會(huì)導(dǎo)致雙折射頻移改變超過(guò)200 MHz[17].PM-PCF光纖的雙折射對(duì)溫度不敏感特性可以有效減小在測(cè)量過(guò)程中溫度變化對(duì)氣壓測(cè)量帶來(lái)的誤差.圖15給出了雙折射頻移與氣壓的變化曲線(氣壓變化范圍為0—1.1 MPa),結(jié)果表明雙折射頻移與氣壓有著很好的線性關(guān)系,擬合的線性系數(shù)為199 MHz/MPa.一般通過(guò)BDG反射譜測(cè)量的雙折射頻移誤差大約為5 MHz,因此氣壓的測(cè)量精度可達(dá)0.02 MPa.然而,結(jié)合圖14的數(shù)據(jù)可以看出,盡管PM-PCF光纖的雙折射對(duì)溫度不敏感,但是110°C的變溫也會(huì)導(dǎo)致大約1 MPa的測(cè)量誤差,因此為了精確測(cè)量壓力就必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償.

圖14 不同溫度下的雙折射頻移變化曲線Fig.14.Measured BireFS variations versus different temperatures.

圖15 雙折射頻移隨氣壓的變化曲線Fig.15.BireFS differences versus different hydrostatic pressure.

下式忽略了縱向應(yīng)變,僅考慮了溫度和氣壓對(duì)布里淵頻移和雙折射頻移的影響:

其中,ΔνPB是氣壓引起的布里淵頻移的改變,由于布里淵散射對(duì)氣壓不敏感,該項(xiàng)可以忽略不計(jì),因此可以通過(guò)BOTDA獲得光纖的溫度分布,然后補(bǔ)償溫度引起的雙折射頻移ΔνTBire,就可以準(zhǔn)確獲得氣壓分布.

圖16所示為基于溫度補(bǔ)償?shù)姆植际綒鈮簜鞲袦y(cè)量結(jié)果.將兩段20 cm長(zhǎng)的測(cè)試光纖放置在氣池中,氣壓為1.05 MPa,溫度為25°C;同時(shí)將中間20 cm光纖放在高低溫箱,溫度設(shè)定為?20°C,不施加額外氣壓.圖16(a)是分布式雙折射測(cè)量結(jié)果,從中可以清楚看出溫度造成的串?dāng)_;圖16(b)是分布式布里淵頻移測(cè)量結(jié)果,表明氣壓對(duì)布里淵頻移沒(méi)有影響,通過(guò)這個(gè)結(jié)果可以獲得分布式溫度信息;通過(guò)溫度補(bǔ)償后就可以得到分布式氣壓信息,如圖16(c)所示.

圖16 基于溫度補(bǔ)償?shù)姆植际綒鈮簜鞲?(a)分布式雙折射;(b)分布式布里淵頻移(或溫度);(c)分布式氣壓Fig.16.Temperature-compensated distributed hydrostatic pressure sensing:(a)The measured BireFS of the FUT;(b)the measured BFS of the FUT;(c)the measured hydrostatic pressure after compensating the temperature cross-talk.

3.6 高空間分辨率分布式傳感

對(duì)于時(shí)域布里淵光纖傳感,空間分辨率是由抽運(yùn)脈沖寬度決定的,比如10 ns的抽運(yùn)脈沖對(duì)應(yīng)1 m的空間分辨率.通過(guò)簡(jiǎn)單地減小抽運(yùn)脈沖寬度來(lái)提高空間分辨率將會(huì)導(dǎo)致布里淵增益譜展寬和信號(hào)幅度下降的問(wèn)題,尤其是當(dāng)抽運(yùn)脈沖寬度小于聲子壽命時(shí)(10 ns),這個(gè)問(wèn)題變得更加嚴(yán)重.差分脈沖對(duì)技術(shù)可以有效提高空間分辨率,該方法采用兩個(gè)脈寬不同的抽運(yùn)脈沖,對(duì)測(cè)量的布里淵信號(hào)做差分,通過(guò)減小脈寬差來(lái)提高空間分辨率,然而由于差分過(guò)程會(huì)導(dǎo)致信噪比劣化,使該技術(shù)目前獲得最好的空間分辨率為2 cm[9].

在傳統(tǒng)的時(shí)域布里淵光纖傳感結(jié)構(gòu)中,決定空間分辨率的抽運(yùn)脈沖同時(shí)參與激發(fā)聲波場(chǎng),這是限制空間分辨率提高的根本因素.然而,由于BDG的產(chǎn)生和探測(cè)是兩個(gè)獨(dú)立的過(guò)程,這就使得可以通過(guò)減小探測(cè)脈沖寬度來(lái)提高空間分辨率,同時(shí)可以保證較窄的布里淵增益譜.具體方案如圖17所示,兩束連續(xù)抽運(yùn)光從光纖的兩端注入到保偏光纖的x-plo.軸里,當(dāng)兩束光的頻率差等于布里淵頻移時(shí),就會(huì)在光纖里激發(fā)出BDG,然后在光纖的y-plo.軸里注入一個(gè)窄探測(cè)脈沖,調(diào)節(jié)探測(cè)光和抽運(yùn)光1之間的頻率差至雙折射頻移,就可以在BDG上獲得一個(gè)連續(xù)的反射信號(hào),通過(guò)掃描兩束連續(xù)抽運(yùn)光的頻率差就可以獲得光纖的布里淵增益譜,該方案中空間分辨率是由探測(cè)脈沖寬度決定,同時(shí)由于使用連續(xù)抽運(yùn)光布里淵增益譜的寬度可以保持在幾十MHz.

圖17 基于BDG的高空間分辨率布里淵傳感方案示意圖Fig.17. Schematic illustration of a high-spatialresolution distributed Brillouin sensor based on BDG.

在文獻(xiàn)[24]中,采用55 ps的探測(cè)脈沖,對(duì)應(yīng)于5.5 mm的空間分辨率.圖18給出了傳感光纖布設(shè)圖和測(cè)量結(jié)果.在2 cm位置處是光纖熔節(jié)點(diǎn),由于采用熱縮管保護(hù)在22 mm長(zhǎng)光纖區(qū)域上產(chǎn)生一個(gè)負(fù)應(yīng)變,同時(shí)在10 cm處,有一段8 mm長(zhǎng)的光纖被加熱到比室溫高30°C形成一個(gè)熱點(diǎn).測(cè)試系統(tǒng)采樣率為40 GSa/s,對(duì)應(yīng)于2.5 mm/點(diǎn),測(cè)量的光纖布里淵頻移如圖18所示.測(cè)量結(jié)果清晰地表明該方法可以獲得毫米級(jí)空間分辨率.采用一只手的五指對(duì)一段光纖加熱,圖19顯示了BDG對(duì)探測(cè)脈沖的反射信號(hào)曲線,可以看出采用這個(gè)技術(shù)可以很清晰地看到五指對(duì)光纖加熱的效果.

圖18 傳感光纖布設(shè)和測(cè)量結(jié)果.Fig.18.Layout of the sensing fiber and the measured results.

圖19 測(cè)量五指加熱光纖結(jié)果,圖中是BDG對(duì)探測(cè)脈沖的反射時(shí)域曲線Fig.19.Temporal distribution of the re flected signal of the probe pulse along the sensing fiber when five fingers from one hand are placed on the fiber.

3.7 高精度光譜分析

很多高精度光纖傳感需要高分辨率光譜儀,然而,以體光柵作為分光元件的光譜儀波長(zhǎng)分辨率最高僅為幾個(gè)pm(1000 MHz),且其分辨率受光柵刻痕密度及最大光束孔徑限制無(wú)法進(jìn)一步提高.與體光柵光譜儀相比,掃描法布里-珀羅干涉儀雖能提供較高分辨率,但其自由光譜范圍有限.基于相干檢測(cè)原理的光譜分析儀可以提供高達(dá)5 MHz(40 fm)的波長(zhǎng)分辨率的光譜測(cè)量,然而很難實(shí)現(xiàn)寬波段更高分辨率的光譜測(cè)量.

我們提出一種基于BDG的超高精度光譜分析技術(shù).之前的研究工作已經(jīng)證實(shí),由于折射率的改變量比較小,光纖中BDG特性與弱光柵條件下的布拉格光纖光柵相符合,即BDG反射譜的FWHM譜寬與光柵長(zhǎng)度成反比,表達(dá)式如下[20]:

其中c為真空中光束傳播速度;n為光纖群折射率;L為光柵長(zhǎng)度.

因此,通過(guò)激發(fā)一個(gè)較長(zhǎng)的BDG,就可以獲得超窄帶光學(xué)濾波器,濾波器的反射中心波長(zhǎng)可以通過(guò)調(diào)整抽運(yùn)光波長(zhǎng)來(lái)改變,從而實(shí)現(xiàn)光譜分析功能.由于保偏光纖的雙折射存在較大的起伏,造成BDG反射譜的非均勻展寬,很難獲得較窄的反射帶寬,因此我們采用雙折射較小的單模光纖來(lái)激發(fā)BDG.實(shí)驗(yàn)上測(cè)得不同長(zhǎng)度的BDG反射譜寬如圖20所示,其中藍(lán)線為弱光纖布拉格光柵的理論曲線.在光纖長(zhǎng)度較短(50和100 m)時(shí),BDG反射譜寬與理論值符合較好,而在光纖較長(zhǎng)(200,400和600 m)時(shí),測(cè)得BDG反射譜寬都偏離理論值,且隨光纖長(zhǎng)度增加偏離程度加劇,這個(gè)偏離是由于單模光纖存在微小的雙折射使BDG反射譜出現(xiàn)不同程度的展寬所致.可以預(yù)測(cè),如果能制造出雙折射更小的單模光纖,就可以獲得更窄的反射譜.其中,最小譜寬發(fā)生在400 m,對(duì)應(yīng)的譜寬為0.5 MHz(4 fm).

圖20 布里淵動(dòng)態(tài)光柵反射譜的譜寬(FWHM)隨光柵長(zhǎng)度的變化關(guān)系,其中藍(lán)色曲線是弱布拉格光柵的理論曲線Fig.20.Red dots show the measured FWHM bandwidth of BDG versus to the fiber length;blue curve shows the theoretical curve of a uniform weak fiber Bragg grating.

圖21 利用不同長(zhǎng)度BDG測(cè)得頻率間隔為1 MHz的三峰光譜 (a)100 m;(b)200 m;(c)400 m;(d)600 mFig.21.Measured spectra with SMF segments of(a)100 m,(b)200 m,(c)400 m,(d)600 m.The frequency interval of the multipeak spectrum is 1 MHz.

為了驗(yàn)證該光譜分析系統(tǒng)具有0.5 MHz(4 fm)的光譜分析精度,我們通過(guò)相位調(diào)制產(chǎn)生三峰光譜.將微波信號(hào)加載到相位調(diào)制器上對(duì)入射光進(jìn)行調(diào)制,只要適當(dāng)控制微波信號(hào)功率就可使相位調(diào)制器的輸出包含多個(gè)邊帶光譜.本實(shí)驗(yàn)中采用三等幅線光譜,既包括載波和兩個(gè)一階邊帶,譜線的間隔為1 MHz.使用不同長(zhǎng)度BDG(100,200,400和600 m)掃描測(cè)量的光譜如圖21所示,可以看出四種光柵長(zhǎng)度下三個(gè)峰都可以清晰地分辨,其中L=400 m的情況下三個(gè)峰分開得最清晰.

4 結(jié)論和展望

由于傳感原理的限制,傳統(tǒng)分布式布里淵光纖傳感在有些性能上很難有進(jìn)一步提升,比如測(cè)量的精度限制在1°C或20με,測(cè)量的物理量?jī)H限于溫度和應(yīng)變,而且空間分辨率很難進(jìn)一步提高.基于布里淵動(dòng)態(tài)光柵的新型分布式光纖傳感在測(cè)量原理和方案上有創(chuàng)新性突破,可以實(shí)現(xiàn)更高性能的分布式光纖傳感.由于保偏光纖的雙折射對(duì)溫度和應(yīng)變更加敏感,因此溫度和應(yīng)變傳感的測(cè)量精度可以提高一個(gè)量級(jí)以上;測(cè)量的物理參數(shù)還可以拓展到橫向壓力、靜壓力(氣壓或液壓)等其他物理或化學(xué)參數(shù);利用布里淵動(dòng)態(tài)光柵的激發(fā)和探測(cè)分離的特點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)空間分辨率分布式時(shí)域傳感.基于布里淵動(dòng)態(tài)光柵的新型多參量分布式光纖傳感可以作為一種新的手段對(duì)高精度光纖陀螺環(huán)進(jìn)行檢測(cè),由于保偏光纖雙折射對(duì)溫度、縱向拉力、橫向壓力都敏感,因此可以全面反映多種環(huán)境參數(shù)對(duì)光纖環(huán)的影響.此外,布里淵動(dòng)態(tài)光柵在多參量光纖傳感、全光信號(hào)處理、光通信和微波光子學(xué)等方面仍然有很大的發(fā)展?jié)摿?

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